开缝翅片换热器三维流动传热特性数值研究

建立了开缝翅片换热器三维流动传热物理模型和数学模型,针对不同开缝位置的换热单元进行数值计算。并应用场协同理论分析了不同入口速度对换热特性的影响。研究表明：对翅片进行开缝能够有效提高翅片管的换热性能、强化传热,且下游开缝比上游开缝换热效果好,全部开缝换热效果最好。随着入口速度的增大4种翅片换热量明显增强,增加入口流速也可提高换热效率,但压力损失较大。计算结果可为工程实际应用提供一定的理论指导。     

双开缝翅片空气侧换热和流动特性的数值模拟

利用数值耦合传热计算方法研究了四排管双开缝翅片管式换热器的传热特性和阻力特性,获得翅片附近空气的速度场和温度场,分析了开缝对翅片管换热器换热性能的影响。并针对翅片间距和开缝高度对翅片管换热性能的影响进行了数值模拟分析,得到了开缝高度和翅片间距针对换热系数的最佳组合。     

析湿工况下平直开缝翅片传热传质特性的数值研究

针对现有冷凝模型计算中未考虑对流传质对传质通量的影响,利用Fluent软件中的UDF建立了新的对流冷凝传热模型和基于场协同理论的传热传质特性分析方法。使用新的冷凝模型和分析方法对除湿条件下,入口参数、翅片结构、开缝位置对平直开缝翅片换热器湿空气侧的流动、传热和传质特性的影响进行了研究。结果表明：考虑对流传质的冷凝模型准确度得到提升;传热量、冷凝量随翅片表面开缝高度的增加先减小后增加;上游开缝翅片管的传热量、冷凝量均低于下游开缝翅片管,利用建立的分析方法发现,相同边界条件下,下游开缝翅片的传热场协同角α_m、传质场协同角β_m均小于上游开缝翅片,表明下游开缝翅片的速度场、温度梯度场和浓度梯度场的协同性更优,传热传质能力更强。     

二种开缝翅片特性的试验及数值模拟比较研究

为了强化空冷器的换热性能,利用红外热像仪和Fluent软件等对增压空冷器空气侧的X型及圆环扇面型2种4排开缝翅片的传热和阻力性能进行了试验和数值模拟研究,在试验的Re数范围内得出了传热和阻力的特性曲线,并通过模拟得出了气流在2片翅片间的温度场、流场以及阻力和换热特性曲线在试验Re数范围内的对比。结果表明,数值模拟与试验值基本吻合,X型开缝翅片的传热性能不仅高于圆环扇面型开缝翅片,同时X型的压力损失还小于圆环扇面型开缝翅片。     

析湿工况下带亲水层开缝翅片管换热器空气侧传热传质特性

对7个带亲水层开缝型翅片管换热器在析湿工况下空气侧传热传质特性进行了实验研究，分析了翅片间距和入口相对湿度对空气侧传热传质特性的影响。结果表明，随着翅片间距的增加，空气侧的传热传质特性均逐渐减弱。入口相对湿度对空气侧的传热特性几乎没有影响。随着入口相对湿度的增加，空气侧的传质特性逐渐减弱。开发了反映空气侧传热特性的Colburn传热因子Jh和反映传质特性的Colburn传质因子Jm的关联式，所开发关联式在±15%误差范围内分别能涵盖96.6%和81.4%的实验数据，其平均误差分别为5.3%和8.5%。     

管内插入螺旋翅片流动与传热特性的数值模拟

为研究管内插入螺旋翅片在低雷诺数下流动与传热特性,利用层流模型和周期性边界条件进行了3维数值模拟,以水为介质,在恒热流条件下,分别选取4种不同螺旋翅片高度(h=2、4、6、8 mm)和节距(P=20、40、60、80 mm)组成的16组结构参数,并对每组结构参数在两个不同雷诺数(Re=450、650)下进行模拟;讨论了螺旋翅片高度和节距对努赛尔数、阻力系数、综合性能、场协同性能和涡量的影响。结果发现,内插螺旋翅片能够显著强化换热,在较小片高时,翅片节距之间容易产生横向漩涡;除节距和片高同时较小的情况外,努赛尔数和阻力系数随节距增大而减小,随片高增大而增大;适当选择片高和节距数值,可以提高综合换热性能。     

天然气冷却异型翅片通道内流动与传热特性研究

通过数值计算模拟分析的方法研究了板翅式换热器内部翅片的几何参数对工质流动与传热特性的影响。分别分析了翅片间距、翅厚、翅片错开比以及翅片切开长度对流动和换热的影响,研究发现波纹锯齿翅片的传热能力最好,锯齿翅片次之,平直翅片的传热能力最差。且在不同工况下翅片结构参数存在着最佳值,在流动阻力增加较低的情况下获得更高的传热系数,从而为板翅式换热器的优化设计提供参考。     

螺旋翅片管束空气侧流动与换热特性研究

采用数值模拟与模化试验相结合的方法研究螺旋翅片管空冷器空气侧的流动与换热特性。分析翅片螺距、翅片高度、横向管间距、纵向管间距对换热与阻力的综合性能影响;基于正交试验原理,以Q_v,Nu,Δp,f为指标,分析翅片螺距、翅片高度、横向管间距、纵向管间距对不同指标的影响程度差异,并获得各指标均较优的翅片螺距、翅片高度、横向管间距、纵向管间距的优化组合。结果表明:当其他结构参数一定时,PEC最优的翅片螺距、翅片高度、横向管间距、纵向管间距分别为3.5,6.5,67,53.69 mm;Q_v,Nu,Δp,f较优的结构参数组合为翅片螺距3.5 mm、翅片高度15.5 mm、横向管间距67 mm、纵向管间距53.69 mm;与国标推荐结构相比,相同Q_v时优化结构的Δp明显较小。研究成果可为空冷器螺旋翅片管束优化提供依据。     

T型撞击流混合器内流动特性的PIV研究

采用粒子图像测速技术对入射管直径为3 mm、混合腔直径为16 mm的T型撞击流混合器内的流动特性进行了研究,考察了不同流速比和撞击轴线上方空间条件下混合腔内的速度和湍流动能分布. 结果表明,在相同入射管直径和流速下,撞击驻点位于混合腔中心处,无因次化的速度和湍流动能分布趋势基本一致. 高湍流动能区主要集中在撞击点附近区域,其无因次化数值是传统Rushton涡轮搅拌槽叶端处的3倍. 流速比对撞击驻点位置影响显著;减小撞击轴线上方空间可增加高湍流动能分布区域,利于物料混合.     

三角形小翼强化立式太阳能热气流电站的流动传热特性

采用数值计算方法研究设置在电站系统中空气流道内集热面上的三角形小翼对立式太阳能热气流发电系统非稳态自然对流流动及传热的强化作用,分析了肋对数、肋倾角、布置方式对系统进出口气流的温升、速度差的影响,并结合场协同原理对其强化太阳能热发电系统传热的效果进行评价。结果表明：空气流经三角形小翼时温度梯度增大,换热增强,系统进出口气流温度差、速度差大幅增大;随着肋对数的增加,气流受到的扰动作用增强,速度与温度梯度的协同角减小,但相应也使气流的流动阻力增大,能量损失增大,肋倾角取45°时系统进出口气流速度差最大;三角形小翼成对布置在竖直矩形通道内时,叉排布置效果优于顺排。     

锯齿翅片的传热与阻力性能试验

在风洞试验台上对16种不同结构参数的板翅换热器中使用锯齿翅片进行了传热和流动阻力性能试验,分析比较了翅片间距和翅片长度对其表面对流传热系数和空气阻力性能的影响。同时通过对16种翅片的244个试验数据点进行多元回归和F显著性检验,获得了j因子和f因子的经验关联式。在Re=500～7500范围内,经验关联式的最大误差范围为±10%,绝对平均偏差分别为4.2%和5.3%。     

不同边界条件下管翅式换热器流动与传热性能的POD分析

传统的数值模拟计算时间长,很难满足现代工业发展需求。采用适体坐标与本征正交分解(POD)相结合的方法在等壁温和等热流两种边界条件下对扁管管翅式换热器进行降维计算,并将计算结果与有限容积法(FVM)计算结果进行了对比。结果表明:POD方法在等壁温和等热流边界条件下均能获得物理过程的准确信息,并将传统FVM数值计算速度提高了3093倍。采用POD方法重构温度场时,在等壁温和等热流条件下相对偏差平均值的最大值分别为0.557%和0.308%。重构速度场时,在等壁温和等热流条件下相对偏差平均值的最大值分别为1.26%和1.9%,这一结论可为换热器的数值设计中合理设置边界条件提供理论依据。     

POD analysis of flow and heat transfer performance of tube fin heat exchanger on different boundary conditions

The traditional numerical simulation calculation time is long, and it is difficult to meet the needs of modern industry development. The method of combining body-fitted coordinates and proper orthogonal decomposition(POD) reduced-order model is used to calculate the heat transfer units of the flat tube fin heat exchanger. And its calculation results are compared with the results of the finite volume method (FVM). The results show that the POD method can accurately obtain the actual information under the boundary conditions of uniform wall temperature and uniform heat flux. But also, the calculation speed of POD is 3093 times of FVM. As for the cases of reconstructing the temperature field, the maximum error values under the boundary conditions of uniform wall temperature and uniform heat flux are 0.557% and 0.308%, respectively. As for the cases of reconstructing the velocity field, the maximum error values under the boundary conditions of uniform wall temperature and uniform heat flux are 1.26% and 1.9%, respectively. The conclusions of this study can supply theoretical reference for reasonable boundary condition in numerical design of the heat exchanger.     

板翅式换热器翅片通道中流体流动与传热的计算流体力学模拟

针对平直形和锯齿形两种不同翅片类型,利用计算流体动力学(CFD)软件FLUENT对板翅式换热器的微小通道进行了模拟,得出了通道中流体的流动与传热特性.计算结果表明,在相同情况下,平直形和锯齿形翅片中冷热流体的局部传热系数的最大值都出现在入口处;在锯齿形翅片的相邻2个锯齿的交错面上,流体的局部传热系数和压力存在突变,流体的边界层厚度要薄于在平直形翅片中的厚度,流体的局部换热系数要和压损大于其在平直形翅片中的值.     

扰流柱协同螺旋片强化套管换热器壳侧换热

对于内管外壁安装有螺旋片的套管换热器的壳侧,在螺旋片所形成的螺旋通道中心,沿螺旋方向周期性地布置扰流柱以进一步提高其换热性能,对这种扰流柱协同螺旋片强化的换热器的换热特性进行了实验研究,应用场协同理论分析了其强化机理。结果表明,在Re=4000～14000范围内,扰流柱协同螺旋片强化的换热器的传热系数为相同螺距下只安装螺旋片的换热器的1.53～2.53倍,为光滑内管换热器的3.08～4.87倍。在相同质量流量、相同压降及相同泵功条件下,扰流柱协同螺旋片强化的换热器的综合换热性能明显好于相同螺距下只安装螺旋片的换热器及光滑内管换热器;在相同压降及相同泵功条件下,保持螺距不变,安装扰流柱比螺距减小一半的综合换热性能更好;单位螺距内安装奇数个扰流柱比安装偶数个扰流柱略好。扰流柱的安装增大了径向速度,使温度场与速度场的协同效果更好,从而提高了换热效果。     

一种双扭转流换热器壳程传热性能与机理分析

双扭转流换热器是一种新型管壳式换热器,分别建立扭转流换热器和新型双扭转流换热器的周期全截面计算模型,利用计算流体力学（CFD）方法对壳体侧的传热系数、流动阻力和综合性能进行了数值研究。结果表明：在壳程同等质量流量下,双扭转流换热器传热系数与类梯形折流板换热器相比降低24.4%~27.9%,压降降低63.3%~71.0%,综合性能增加1.2%~4.1%。通过场协同原理对其传热和降阻机理进行了分析,表明双扭转流换热器速度与压力梯度协同较好,扭转流换热器速度与温度梯度协同性较好。对扭转流换热器进行冷模实验,采用激光多普勒测速仪（LDV）对线上速度进行测量,验证了仿真方法和结果的正确性和准确性。研究模型与结论可为换热器的结构开发与性能研究提供参考。     

结构参数对布置窄缝和挡板的微混合器内流体流动和混合的影响

基于混沌对流原理设计了一种布置窄缝和挡板结构的被动式微混合器,并采用三维数值模拟和可视化实验对该微混合器内流体流动与混合特性进行了研究。窄缝和挡板的共同作用使微混合器水平面内形成了扩展涡和分离涡,垂直流动方向的截面内形成了对称的反向旋涡,多维度涡系显著提高了混合效率。窄缝和挡板的结构尺寸对流体流动和混合有重要影响。综合考虑混合强度和压降,利用场协同原理分析窄缝宽度、窄缝长度、挡板高度对微混合器综合性能的影响并得到了不同Reynolds数条件下的最优结构参数。     

翅片板式传热器双流道传热与流动数值模拟

焊接型板式传热器的紧凑性好、质量轻、传热性能好、初始成本低等优越性已越来越被人们所认识,因此人们纷纷对板式传热器内流动状态和传热机理展开研究。鉴于此,本文运用数值模拟软件Fluent对全焊接翅片板式传热器双流道进行模拟,在此基础上又进行了实验研究及实验数据与数值模拟的对比分析,得出不同结构参数和操作参数下翅片的传热系数和压力降,并分析翅片高度和翅片间距对翅片传热性能与流动阻力的影响。结果表明：①固定冷侧的入口速度和温度,热侧的传热系数和压降随之热侧入口速度增加而增大;②板间距一定时,翅片高度并非越高传热性能越好;③翅片间距越小,传热性能越好。     

三角形布管方式下2种换热器的场协同分析

基于采用周期性全截面计算模型得到的帘式折流片换热器和折流板换热器壳程流体流动和传热数值计算结果,应用场协同原理对二者传热性能进行了分析。分析了帘式折流片换热器在壳程不同位置处的速度和湍流度,以及场协同角和对流传热系数,并与折流板换热器相同位置处的情况进行了对比。由于折流板壳程流体为横向流动,而帘式折流片壳程总体上是纵向流动,故折流板换热器的平均流速和湍动度稍高于帘式折流片换热器,平均流速为帘式折流片换热器的1.15倍,其湍动程度为帘式折流片换热器的1.4倍;折流板换热器2条验证线上的场协同角的平均值均小于帘式折流片换热器。研究结果为管壳式换热器结构改进和性能提升提供了参考依据,同时帘式折流片换热器的这种结构特点对于节能降耗的研究也具有重要意义。     

螺旋套管换热器壳程流体湍流换热热力性能数值研究

利用计算流体力学软件对内管为螺纹管的螺旋套管换热器壳程流体的湍流流动和换热性能进行了数值模拟。通过与内管为光管的研究结果对比,揭示了内管为螺纹管时壳程流体的速度场和温度场分布,研究了雷诺数、槽高对壳程流体湍流流动及换热性能的影响,并利用场协同原理初步揭示了螺纹复合螺旋流动强化流体换热的机理。结果表明,螺纹内管的螺纹凸起对螺旋套管换热器壳程流体的扰流和导流作用明显,在研究范围内(Re=10000～24000),内管为螺纹管的螺旋套管换热器壳程流体的传热效率较内管为光管的模型最大提高了22.1%;结构参数相同时,随着Re增大,螺旋套管换热器壳程流体的Nu逐渐增大,阻力系数f逐渐减小,综合评价因子Ψ逐渐减小,在研究范围内,Nu最大增加了85.6,f最大减少了0.008,Ψ从1.35减小至1.18。当Re一定时,当量高度h’增大,f逐渐增大,Nu先增大后减小。由场协同原理分析得出,h’=0.220时,在螺纹凸起扰流和导流的作用下壳程流体的温度场与速度场协同性能较好,综合评价因子Ψ最大,螺纹的优化当量高度h’宜取约0.220。