板翅式换热器平直翅片表面流动及传热特性

为了提高板翅式换热器的换热性能,采用CFD数值模拟方法,研究了翅片结构参数和入口Re数对板翅式换热器平直翅片的表面传热与流动阻力特性的影响。研究结果表明:当流体被加热时,翅片通道内部靠近固体壁面的流体温度较高,通道中心主流体区温度较低。流体在翅片通道内的温度分布呈一定梯度,靠近一次表面的流体温度梯度较大,而靠近二次表面的流体温度梯度较小。随着翅片高度和翅片间距的增加,平直翅片的表面传热因子和摩擦因子增大。而且,增加翅片的厚度,可在一定程度提高其换热性能,但翅片厚度存在一个最优值。研究结果可为板翅式换热器的优化设计提供理论指导。     

封闭腔内水自然对流换热数值模拟

为了揭示封闭腔内非Boussinesq流体在浮力驱动下所特有的流动换热现象和形成机理,采用CFD软件Fluent对封闭腔内水的自然对流进行数值模拟,得到矩形封闭腔高宽比、Rayleigh数、倾斜角度、壁面温度差对流动和传热的影响规律。研究结果表明：由于水的密度在3.98℃达到最大,两竖壁面温度跨越这一点时会引起流动图像反转;具有流动反转的双涡结构降低了对流换热平均Nusselt数;相同Rayleigh数下,高宽比为1对应对流换热平均Nusselt数最大值;倾斜角度对平均Nusselt数影响与Rayleigh数和温度边界条件有关。     

射流式涡发生器强化矩形螺旋通道内流体换热机理

提出利用射流式涡流发生器(JVG)强化螺旋通道内流体的换热。采用三维激光多普勒测速仪(LDV)测量了曲率为0.134并安装了JVG的矩形截面螺旋通道内流体的流动特性,实验结果与数值模拟结果吻合较好。获得了安装JVG的螺旋通道内复合二次涡旋的演变规律以及射流在螺旋通道内的衰减过程。结果表明,射流的冲击和卷吸作用改变了单一螺旋通道内背离壁面(common-flow-up, CFU)结构的离心二次涡旋,在射流的起始段形成了一对冲向壁面(common-flow-down, CFD)结构的二次涡旋。随着流动的发展,CFD涡旋经历了快速形成、缓慢分解并逐渐耗散的过程。射流速比ε_j在1.48～4.02范围内时,射流在螺旋通道内沿主流方向的作用距离可达40d_h～74d_h(d_h为螺旋通道当量直径)。射流提高了通道换热壁面附近处速度场与温度场的协同性,实现了换热强化。研究范围内,换热壁面平均Nusselt数的最大值相对于单一螺旋通道提高了28%～248%。     

恒壁温下矩形微通道热沉换热特性分析

建立了恒壁温条件下矩形硅微通道热沉的三维模型,对微通道内单相层流的换热和流动特性进行了数值模拟研究,分析结果表明:沿流动方向,热沉流体域的温度梯度大于固体域的温度梯度,且最大的温度梯度出现在入口段;除恒温热沉顶面外,通道顶面的温度最大,通道底面和热沉底面的温度近似趋于定值。通道内的换热研究发现,通道侧壁面的Nu数最大,顶面与底面相差很小,角落处的Nu数趋近于0。     

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.     

翼型涡发生器对半圆形螺旋通道的换热强化机理

为考察不同形状和布置方式的翼型涡发生器强化半圆形截面螺旋通道的换热特性,对单一以及安装了jxjs、jxjk、sjjs和sjjk 4种涡发生器的螺旋通道内流动与换热特性进行了数值研究,数值模拟结果与实验结果吻合较好。结果表明,研究范围内涡发生器前后180°范围内的换热壁面平均Nusselt数与单一通道的相应值之比的平均值在1.044~1.074之间,流动阻力系数f/f0在1.105~1.188之间。对传热效果而言,矩形翼优于三角形翼,对翼渐缩布置优于渐扩布置。涡发生器产生的纵向脱落涡旋改变了原有的二次流场结构,改善了速度场和温度场的协同性,强化了传热。安装jxjs和sjjs型涡发生器的复合二次流场分别为4涡和2个大涡结构,Re=8000时两者在通道内强化换热作用范围分别可达10.47和12.56倍翼高的距离。     

环形通道内层流入口段换热及流体变物性的影响

采用SIMPLER算法对环形通道内二维定常轴对称入口段流动与换热进行了数值计算, 研究了两种边界条件下的层流流动与换热规律, 给出了不同Prandtl数以及半径比率下沿程Nusselt数的变化曲线,同时还给出了流体物性随温度变化对流动与换热的影响, 最后还拟合出了不同半径比率下平均Nusselt数的关联式.计算结果还表明,环形通道能强化传热,强化程度随半径比率减小而增大,且入口段的换热强化与其较高的径向速度有关.     

纳米流体在芯片微通道中的流动与换热特性

对去离子水及体积分数分别为0.15%和0.26%的水基γ-Al₂O₃纳米流体在当量直径为194.5 μm的硅基梯形芯片微通道内的层流流动和换热特性进行了实验研究。考察了Reynolds数、Prandtl数以及体积分数对流动换热的影响。结果发现,使用纳米流体后,压降无明显增加,纳米流体的流动阻力特性与去离子水基本相同;对流换热Nusselt数较去离子水有明显提高,且随着体积分数的增加而增加;相同泵功下换热热阻显著下降。实验还发现纳米流体的强化传热效果在较高温度时更加明显。根据实验数据得到了梯形硅微通道内低浓度纳米流体的层流对流换热关联式。研究结果对于集成高效芯片散热系统设计具有重要意义。     

基于FLUENT的板翅式换热器平直翅片数值模拟

为了对比板翅式换热器不同平直翅片的换热性能,采用CFD软件FLUENT数值模拟计算方法,研究了空气在三角形和矩形不同结构参数翅片中的表面传热与流动阻力特性。揭示了2种形状不同结构参数翅片中流体的速度对翅片表面换热因子和翅片表面摩擦因子的影响规律;并用CFD-Post分析了各参数在翅片中的分布情况。结果表明:在所有翅片中,翅片表面换热因子和翅片表面摩擦因子都随着流体速度的增大而减小;在三角形翅片中,翅片表面摩擦因子由翅顶部位对称向翅底两端均匀递减,在翅底两端最边缘附近分布最小;在矩形翅片中,翅片表面摩擦因子在翅片中部分布比较均匀,在翅片两端最边缘附近突然变小。     

翼型涡发生器对半圆形螺旋通道的换热强化机理

为考察不同形状和布置方式的翼型涡发生器强化半圆形截面螺旋通道的换热特性,对单一以及安装了jxjs、jxjk、sjjs和sjjk 4种涡发生器的螺旋通道内流动与换热特性进行了数值研究,数值模拟结果与实验结果吻合较好。结果表明,研究范围内涡发生器前后180°范围内的换热壁面平均Nusselt数与单一通道的相应值之比的平均值在1.044～1.074之间,流动阻力系数f/f₀在1.105～1.188之间。对传热效果而言,矩形翼优于三角形翼,对翼渐缩布置优于渐扩布置。涡发生器产生的纵向脱落涡旋改变了原有的二次流场结构,改善了速度场和温度场的协同性,强化了传热。安装jxjs和sjjs型涡发生器的复合二次流场分别为4涡和2个大涡结构,Re=8000时两者在通道内强化换热作用范围分别可达10.47和12.56倍翼高的距离。     

内插梯形扰流片的矩形通道内涡流和传热特性

利用Realizable k-ε湍流模型对带缺口的梯形扰流片进行流动和传热特性的数值模拟,研究了梯形扰流片的缺口位置及流动方式对矩形通道内流场以及传热的影响,同时通过对涡量、流线、流速分布、压力变化、湍流强度等的分析,揭示了扰流片强化传热的机理。结果表明,逆流时Nusselt数比顺流时提高了21.7%,同时摩擦因子也提高了25%。顺流时内侧缺口绕流片提高了传热系数的同时也增加了摩擦阻力,而外侧缺口的绕流片降低了传热系数同时也降低了形状阻力。研究发现较低Reynolds数下(10000相似文献   

周期性沟槽通道内自激震荡流及换热特性

应用数值模拟方法,分析了以周期性方式布置不同结构通道内产生的周期性自震荡流动现象,并研究了自激震荡流对下壁面物块传热特性的影响。计算采用低雷诺数、二维、非稳态层流模型。采用布置斜板和布置两个不同弯曲方向叶片等三种方式来诱导自激震荡流。分别对不同结构通道内流体的流场、温度场、努塞尔特数和表面摩擦系数变化规律进行了对比分析。计算结果发现：三种结构由稳态过渡到自震荡流时对应的临界雷诺数都很低,分别为620、480、400,并且有较低临界雷诺数的通道结构对应较强烈的震荡,表现为沟槽区域的强烈涡结构运动,及由此带来的更好换热效果。此外,表面摩擦系数因通道涡结构相异而有不同的变化趋势。     

刚性波纹面与柔性波纹面传热及流动特性

采用大涡模拟方法,对流体在刚性及柔性波纹面上的流动与传热特性进行了数值研究。结果表明:对于刚性波纹面,当振幅与波长比值(a/λ)较小时,波谷区域无回流现象;当a/λ增大至0.03时,波谷区域出现回流区,且回流区域随波幅的增加而增大;波纹面上坡部位沿展向出现较高Nusselt数的斑块;当a/λ从0.01增至0.04时,时均Nusselt数提高了近63.5%,综合系数增加了0.5112。对于柔性波纹面,其压力分布也呈现周期性变化;且在上坡位置也出现较大Nusselt数斑块;当a/λ从0.01增至0.04时,时均Nusselt数值提高了173.1%,综合系数增加了1.1232。与刚性波纹面相比,在消耗相同流体输送泵功时,柔性波纹面具有更好的传热效果。     

Flow and Heat Transfer Characteristics of Confined Noncircular Turbulent Impinging Jets

A three dimensional computational fluid dynamic investigation is carried out to predict the turbulent flow and surface heat transfer under an impinging air jet issuing normally from a single noncircular orifice in a plate held parallel to the target surface. Static pressure distributions, velocity fields and local as well as average Nusselt number on the impinged surface are presented for square, elliptic, and rectangular orifices and compared with those for a circular orifice. Effects of jet Reynolds number as well as spacing between the nozzle plate and the impinged surface are examined using a two-layer κ-η turbulence model. Results show flow structure similarities between the characteristics of rectangular and elliptic jets of equal aspect ratio. Further, it is observed that noncircular impinging jets can provide higher average heat transfer rates than corresponding circular jets for certain geometric parameters viz. nozzle-to-plate spacing and the size of the averaging area used to compute the average Nusselt number.     

两种波纹深度板片传热及阻力特性的对比实验研究

通过实验的方式和对比的方法对两种不同波纹深度板片组成的可拆板式换热器的传热及阻力特性进行研究,每种深度板片组成的板式换热器采用硬板63°/63°、软板29°/29°和混合板63°/29°三种波纹角度组合,此实验采用水/水换热,设置了两种工况,一种是冷热两侧等流速,另一种是固定热侧流速,计算两种工况下传热系数和压降的数值,描绘出对应的曲线。实验证明相同波纹夹角板片组合,该浅密波纹板片的传热系数均高于普通波纹板片,平均高于140 W/(m²·K),即传热系数平均提高1.9%,在混合板中两者传热系数的差别在300 W/(m²·K)以上,提高达4.8%,阻力的变化趋势与传热系数相同。推导出每组设备适用于一定Reynolds数范围的Nusselt数方程和摩擦系数方程,与已有研究成果对比分析,证明了该实验的正确性,同时也揭示这两种波纹板片的传热和阻力性能有优化的余地,为进一步的研究指明了方向。该实验也表明,除深度外的几何尺寸和结构均相同的两种波纹板片,虽然外形接近,但对应的Nusselt数和摩擦系数关系式却不相同,而且差别很大。     

低Reynolds数下内置三棱柱通道的流动与传热特性

以放置在二维水平通道内阻塞比为1/5、1/4、1/3的等边三棱柱为对象,数值研究了空气绕流柱体时的流动及传热特性,分析了在不同阻塞比下顶角迎风和顶角背风放置时阻力系数、升力系数、Nusselt数及Strouhal数随Reynolds数的变化关系。研究表明,三棱柱顶角背风布置的阻力系数和升力系数均显著大于顶角迎风布置,升力系数变化速率随阻塞比增加而增加。当阻塞比为1/3时,尾部两列旋涡出现交错影响,阻力系数和Strouhal数显著增大。受通道和柱体共同影响,随着Reynolds数增加,Strouhal数基本趋于定值。阻塞比增加对于Nusselt数影响较小,且顶角迎风时远大于顶角背风,最大差值为24.5%。最后,给出了内置三棱柱通道绕流的Nusselt数准则关联式。     

电动汽车电池冷却器冷却液侧传热与流动性能仿真

针对双回路液冷电池热管理系统关键部件电池冷却器进行仿真研究，将提取出的冷却液侧流道作为研究对象，分析换热器中波纹板结构、冷却液质量流量与入口温度对于流道内流动及换热的影响。研究发现，波纹及上下板间的触点结构会在流道中产生的二次流，在低Reynolds数（Re=739）下即可达到湍流，增强了换热效果。拟合了板片Nusselt数与Reynolds数的关系式，发现板片的平均传热系数随着质量流量的提高而增加，增幅可达374%，但功耗也随之迅速增加，因而，需要合理选择质量流量以平衡传热与功耗。冷却液入口温度主要通过热物性影响传热系数及压降，但整体影响幅度较小，因而在实际使用中可不考虑季节与运行因素对电池冷却器性能的影响。     

Flow and Heat Transfer Characteristics of Confined Noncircular Turbulent Impinging Jets

Abstract

A three dimensional computational fluid dynamic investigation is carried out to predict the turbulent flow and surface heat transfer under an impinging air jet issuing normally from a single noncircular orifice in a plate held parallel to the target surface. Static pressure distributions, velocity fields and local as well as average Nusselt number on the impinged surface are presented for square, elliptic, and rectangular orifices and compared with those for a circular orifice. Effects of jet Reynolds number as well as spacing between the nozzle plate and the impinged surface are examined using a two-layer κ–η turbulence model. Results show flow structure similarities between the characteristics of rectangular and elliptic jets of equal aspect ratio. Further, it is observed that noncircular impinging jets can provide higher average heat transfer rates than corresponding circular jets for certain geometric parameters viz. nozzle-to-plate spacing and the size of the averaging area used to compute the average Nusselt number.     

CC板通道入口效应对传热特性和阻力特性的影响

选取低Reynolds数k-ε湍流模型,采用数值模拟的方法计算了不同Reynolds数下入口效应和CC板通道单元体传热特性、阻力特性的关系。数值模拟的结果表明：入口效应的存在使得CC板通道前3个单元体的湍流强度显著变大,在第4个单元体之后入口效应对传热特性的影响可以忽略;随着Reynolds数的增加,由于CC板通道入口处湍流强度增加的程度逐渐变小,入口效应对传热效果的强化能力下降;随着Reynolds数的增加,入口段和充分发展段的摩擦阻力系数均有所下降;此外,由于入口效应的存在,CC板通道入口段的摩擦阻力系数比充分发展段高20%左右。