三角形螺旋夹套内流体的湍流流动及换热模拟

对三角形螺旋夹套内流体的湍流流动及换热性能进行了模拟,得到了充分发展条件下恒定热流加热时釜内湍流流体的速度场,分析了雷诺数(Re)和无量纲曲率(k) 对流体阻力和换热性能的影响,并由模拟数据拟合出平均阻力系数及平均努赛尔数的关联式. 结果表明,湍流流动中,夹套内流体的二次流动为稳定的二涡结构,随雷诺数增大,二次流强度和湍动能均增强. 由于离心力的作用,外壁面的阻力系数远大于内壁面. 换热面上局部努塞尔数的峰值出现在靠近二次涡中心位置的换热壁面处,换热面中心处的局部努塞尔数约为峰值的85%. 随Re和k增大,峰值处的局部努塞尔数值增大最明显,流体的平均努塞尔数及阻力系数均增大. 在所模拟的范围内,三角形螺旋夹套的效率因子E>3.7,且随Re和k增大,E逐渐增大.     

螺旋半圆管夹套内层流流动及换热特性研究

将螺旋半圆管夹套的物理模型简化为半圆形截面螺旋管,对4种不同结构夹套内的三维层流流动及换热进行了模拟求解,所得的结果与文献中的实验数据进行了对比。给出了发展段以及充分发展段的流场和温度场的分布,通过坐标变换得到了二次流的矢量图;分析了雷诺数Re、量纲一曲率δ和量纲一螺距λ对夹套内流体流动及换热特性的影响。结果表明:二次流对螺旋半圆管夹套的换热起强化作用,λ的影响很小,仅增大,δ流动阻力及壁面平均努塞尔数Nu均增大。     

釜内螺旋半圆管夹套内流体湍流流动特性

采用实验和数值模拟方法对安装在反应釜内壁侧的螺旋半圆管夹套中流体的湍流流动特性进行了研究. 无量纲曲率d=0.133、无量纲螺距t=0.127的夹套中流体湍流速度场的实测与模拟结果吻合较好. 基于正交螺旋坐标系,给出了夹套内流体的速度场,包括平均轴向速度、二次流速度及二次流函数分布. 研究了平均雷诺数Re、d及t对速度场及流动阻力的影响. 结果表明,充分发展湍流条件下,釜内螺旋半圆管夹套横截面上,平均轴向速度最大值的位置有2个,二次流为恒定的4涡结构. 随Re和d增加,2对二次涡的强度及湍流流动阻力fRe均增加. 相对于釜外螺旋半圆管夹套,在0.05≤d≤0.1, 10000≤Re≤18000的范围内,釜内螺旋半圆管夹套中的湍流流动阻力fRe提高了2.13%~7.72%.     

反应釜内螺旋半圆管夹套内流体的湍流换热性能及熵产分析

应用CFD软件研究了安装在反应釜内壁侧的螺旋半圆管夹套内流体的湍流换热特性,分析了雷诺数Re和曲率d对换热特性的影响,并以熵产数为指标对夹套换热性能进行了基于热力学第二定律的分析评价. 结果表明,弯曲换热壁面两侧主二次涡涡心附近无量纲温度最小,而壁面中心点附近最大,是换热最差的部位. 同一d下,Re增加使二次涡强度和流体湍动能增大,夹套换热综合性能系数Num/f增大;同一Re下,d增加使二次涡强度增大而流体湍动能减小,Num/f值减小. 研究范围内,釜内夹套换热壁面的平均努塞尔数Num为釜外夹套的1.168~1.241倍,摩擦阻力系数f为其1.021~1.077倍. 结构确定的夹套存在一个最佳平均雷诺数(Reop)使换热过程的不可逆损失最小,随d增加,Reop逐渐增大. 半圆截面2个尖角附近是夹套内有用能损失的主要部位.     

球凸对螺旋半圆管内流体流动及传热的影响

采用RNGk-ε湍流模型数值研究了球凸涡发生器对螺旋半圆管夹套内流体湍流流动及换热的影响,分析了泊肃叶数P0、努塞尔数Nu及综合性能因子PEC随雷诺数Re的变化关系,并与光滑螺旋夹套进行对比,结果表明:湍流状态下,球凸涡发生器可以提高螺旋半圆管的努塞尔数,但其综合性能评价因子PEC值小于1,说明阻力系数的增值大于传热系数的增值。     

螺旋半圆管夹套内湍流流动与传热的数值模拟

应用CFD分析软件Fluent,在简化模型的基础上对螺旋半圆管夹套内的三维湍流流动及换热进行了数值模拟. 结果表明,夹套内与螺旋线垂直的横截面上,切线方向的时均速度等值线呈鞍状分布,弯曲外壁侧的速度梯度远大于直内壁侧;二次流为稳定的两涡结构,二次涡的中心位置在半圆形截面的2个尖角附近. 由于二次流的作用,换热壁面上局部努塞尔数Nulocal分布不均,最小值在壁面中心点处,最大值在中心点两侧,研究范围内,最小值为平均值的0.8~0.85倍,最大值为平均值的1.15~1.25倍. 螺距对夹套内充分发展段的流体流动及换热的影响很小;增大曲率,夹套的换热能力增强,同时流动阻力也增大.     

三角形螺旋流道层流流动及换热特性模拟

应用CFD软件研究了直角三角形螺旋流道内层流流体的流动及换热特性,得到了充分发展条件下流体的速度场及温度场,分析了换热壁面局部努塞尔数Nuloc的分布及流道结构对三角形螺旋流道内流体流动及换热的影响。结果表明:层流状态内,流体在流道横截面上产生的二次涡为稳定的两涡结构;受二次流的影响,换热壁面上各点的努塞尔数并不一致,其峰值出现在靠近二次涡中心位置的换热壁面处。增大雷诺数及量纲一曲率,使得局部努塞尔数峰值明显增大,且会使换热面中心弱传热区增大。平均努塞尔数随着雷诺数或曲率的增大而增大,但相应的阻力系数也会随之增加。     

矩形截面高宽比对射流强化螺旋通道传热性能的影响

为了进一步探究具有不同截面高宽比的单一螺旋通道内流体湍流流动与换热特性以及射流对矩形截面螺旋通道的强化传热效果,采用计算流体动力学软件模拟研究了高宽比γ分别为0.625, 1.1, 1.6和2.5时,单一矩形螺旋通道及射流作用下螺旋通道内的湍流流场、二次流场及强化换热特性。结果表明,对于单一矩形螺旋通道,相同横截面积和流量时,仅当γ≥1.6的通道在高雷诺数下二次流会出现四涡结构,其余为两涡结构。对于单一螺旋通道,γ值越大流动阻力越小,同时换热性能越差。加入射流后,矩形截面四个壁面的换热能力均有提高,γ值越大射流的强化传热效果越显著,研究范围内局部壁面换热努塞尔数的平均值(Nulocal)m最高可为单一螺旋通道的2.51倍。考虑流量增加的影响,射流影响下的螺旋通道区域内综合强化传热因子PEC2在1.05~1.21之间。     

黏度随温度变化对三角形螺旋夹套内湍流流体流动及换热的影响

考虑受热流体黏度随温度变化的影响,对三角形螺旋夹套内流体湍流换热进行了数值模拟分析。经与实验结果比对,证明了模拟方法可靠。基于模拟结果重点分析了受热流体黏度变化对流道内流体流动和换热特性的影响,剖析了受热流体的截面平均流动阻力(fRe_m)和平均Nusselt数(Nu_m)沿流动方向的发展特点,并比较了不同流动参数和不同结构参数下流道内受热流体定黏度和变黏度时流体总流动阻力和传热系数的差别。结果表明:考虑流体黏度随温度变化时会明显影响三角形螺旋夹套内流体的流动和换热特性。对比两种流体fRe_m和Nu_m沿流体流动方向的发展过程发现,在早期、中间和后期发展3个阶段中,后期发展阶段中两种流体的发展趋势明显不同;相同来流条件和热边界条件下,与定黏度流体相比,同一横截面上变黏度流体各点的局部流动阻力较小,而局部Nusselt数却较大,因此变黏度流体总的流动阻力较小,而总的传热系数较大;Reynolds数越低,流道量纲一曲率越小,变黏度受热流体的流动和换热性能与定黏度流体流动和换热性能相比差异愈明显,则考虑流体黏度随温度变化对流体流动和传热的影响更为重要。     

封闭腔内置倾斜换热管的自然对流数值模拟

数值模拟了封闭腔内置倾斜换热管的自然对流流动与换热。研究了瑞利数Ra(104～107)、换热管倾角θ(30～75°)、方腔高宽比A(3/5,1,5/3)条件下方腔内温度场、流场和换热管表面平均努塞尔数Nuav的变化规律。结果表明:换热管表面平均努塞尔数随着瑞利数的增大而增大,换热机理由导热逐渐过渡到对流换热,换热能力逐渐加强;随着换热管倾角的增大,方腔内的流动结构由双涡结构转变为单涡结构,平均努塞尔数与倾角呈递增关系,换热能力加强;随着方腔高宽比的减小,流动结构略有不同,由于方腔顶部二次涡的产生,使得流动换热加强。