以最佳温度均匀度和最小熵产为目标的航天器热循环试验系统运行参数优化

以数值模拟的方法研究了不同运行参数下航天器热循环试验箱内温度均匀度与熵产的变化规律。结果表明,在4.3×10³≤Re≤8.6×10⁵、4.62×10¹³≤Gr≤1.38×10¹⁴范围内,由于强浮升力的作用,壁面附近出现回流区,温度由上往下降低,中轴线附近气体加速下沉,温度由上往下升高。箱内量纲1温度标准偏差随Reynolds数增大而增大,随Grashof数变化不明显;混合对流过程中流动熵产远小于传热熵产,熵产数值随Reynolds数、Grashof数的增大而增大。提出了壁面Nusselt数、试验箱内量纲1平均温度、量纲1温度标准偏差及量纲1传热熵产随Reynolds数、Grashof数变化的关联式。     

细小尺度下潜热型功能热流体压降与传热特性

实验研究了相变微胶囊颗粒(囊芯材料为正十六烷,壳材为尿素-甲醛树脂)和去离子水混合制成的潜热型功能热流体流过等热流细小圆管的流动与传热特性,同时以去离子水作为传热工质在相同条件下进行了对比实验。得到了压降随质量流量的变化规律,实验段出、入口温度以及量纲1出口温度随Reynolds数变化规律,量纲1壁面温度沿轴向的分布规律,平均Nusselt数随Reynolds数的变化关系。结果表明,相变微胶囊颗粒的加入会导致流动压降增大,但随着流量增加,流动压降逐渐与单相液体的接近;出口温度及壁面温度要比相同条件下单相液体的低;含有较小相变微胶囊颗粒浓度的潜热型功能热流体的平均Nusselt数是相同条件下单相液体的2.0～4.0倍。     

管内强化传热性能的熵产分析与性能评价

通过热力学第一、第二定律,对管内对流换热综合性能进行熵产分析和评价.建立了一种基于流动与传热过程熵增原理的统一分析方法,在等壁温边界条件下进行熵产分析.并以文献中内翅片管的强化传热作为应用,分别对相同流量、泵功、压降在等热负荷限制下进行强化传热性能评价.结果表明：对于给定的管道,量纲1熵产数只与流动Reynolds数和进口与壁面的温度差有关.利用该分析方法不仅可通过参数分析获得几种强化方式的能量综合利用效果,还可确定合理的流动工况参数、结构参数和合理的强化形式.     

降膜蒸发过程熵产分析

从热力学第二定律出发,将普适体系的熵产表达推广于降膜蒸发过程熵产分析并得到熵产计算式.引入单位熵产数并得到Reynolds数大于1450(c_pμ/λ)^-1.06(0.5-0.25ω)^-1情况下和Reynolds数之间的定量关系,据此揭示了降膜蒸发过程熵产随降膜管内液膜厚度减小先降低再增大的规律,对应存在最小熵产数.与φ30×2×6000传热管内磷酸降膜蒸发实验数据对比结果吻合良好,表明本文熵产计算式可以根据过程的热力参数表达降膜蒸发过程的熵产规律,对过程强化和提高热力学效率具有实际指导意义.     

CO2-空气微通道蒸发器两相区熵产分析

微通道已成为换热器研究领域的热点,以CO₂微通道蒸发器为研究对象,建立了CO₂微通道蒸发器两相区内、外侧均有相变的熵产模型,通过建立的CO₂微通道蒸发器二维分布参数模型求解系统熵产数.分析CO₂与空气侧质量流率、空气入口温度及CO₂蒸发温度对系统熵产数的影响.结果表明:CO₂质量流率对系统熵产数影响很小;系统熵产数主要由CO₂与空气两侧温差传热引起;系统熵产数随空气入口温度的增大而增大,随CO₂的蒸发温度的增大而减小;随着空气质量流率的增大,系统熵产数增大,且蒸发温度越高,空气质量流率对系统熵产数的影响越大.     

恒壁温时污垢对管内对流换热过程热力学性能影响的分析

基于热力学第一、二定律 ,在恒壁温工况下分析了污垢对管内对流换热过程热力学性能的影响 ;提出了反映污垢对管内对流换热过程热力学性能影响的指标———单位传热量的熵增率 ;讨论了管内流体Reynolds数(无污垢时 )和量纲为 1的入口换热温差等参数对单位传热量熵增率的影响 .研究结果表明 ,该指标不仅能反映污垢对管内传热过程的影响 ,而且能反映污垢对管内流动过程的影响 ,而由污垢层导热所引起的熵产在管内传热过程总的熵产中占有重要的地位     

蒸发器沸腾两相段熵产分析

以管内侧制冷剂,管外侧水的蒸发换热器为研究对象,基于热力学第一、第二定律建立了蒸发器沸腾两相流段的熵产计算模型,用量纲1熵产数N_s表示管内外流体因温差传热和压降损失引起的不可逆损失。分析水侧、制冷剂侧质量流量,水侧入口温度和管长尺寸对系统熵产数的影响。结果表明：系统熵产主要由制冷剂侧两相压降引起;系统熵产数随水侧质量流率的增大迅速降低并趋于稳定,随制冷剂侧质量流率的增大呈指数增长,随水侧进口温度和管长尺寸的增大而增加。     

CTAB/NaSal胶束溶液自然对流传热实验研究

为全面研究胶束溶液的对流传热性能,在等温竖直平板加热壁面附近,通过实验研究了不同浓度CTAB(十六烷基三甲基溴化铵)与NaSal(水杨酸钠)复配的CTAB/NaSal胶束溶液,在不同壁面温度下的自然对流传热性能。实验结果表明:随着CTAB/NaSal胶束溶液质量分数增大、温度降低,NPR(净功率下降率)越大;加热壁面为53℃时,CTAB/NaSal(3 mmol/L∶3 mmol/L)加热壁面输入功率相对于水下降34.37%。建立了We影响下的自然对流传热关联式,其误差在±10%以内;该关联式可用于计算CTAB/NaSal及其性质相似的胶束溶液在0.000 15≤We~2/Pr≤0.000 4时,分别在4.98×10~5≤Ra_x≤2.23×10~9和2.19×10~(10)≤Ra_x≤8.22×10~(10)范围内的自然对流传热Nu_x。     

连续螺旋折流板换热器流动与传热性能及熵产分析

采用数值模拟的方法,研究了螺旋角对连续螺旋折流板换热器流动与传热性能的影响,并以熵产数为指标对换热器性能进行了基于热力学第二定律的分析评价。结果表明,相同质量流量时壳程传热系数和压降均随螺旋角的增大而降低,且后者降低的幅度大于前者。连续螺旋折流板换热器壳程横截面上切向速度分布较弓形折流板换热器更加均匀。在靠近中心假管的内层区域,同一径向位置的轴向速度随螺旋角的增大而降低,而在靠近壳体壁面的外层区域则相反。螺旋角越大,不同径向位置的换热管间的换热量分布均匀性越好。壳程质量流量相等时,换热器中传热引起的熵产占总熵产的比重随着螺旋角的增大而增加,熵产数随着螺旋角的增大而降低。     

液滴碰撞亲-疏水性组合壁面的数值分析

采用VOF方法对液滴碰撞亲-疏水性组合壁面过程进行数值模拟。通过量纲1化,在Reynolds数不变的情况下,研究Weber数和亲水性区域直径对液滴碰撞动态特性的影响,绘制了液滴碰撞结果分区图。结果表明:随着Weber数从1增加至100,液滴呈现出附着、短液滴一次破碎和长液滴多次破碎3种状态;液滴破碎过程受到表面张力、壁面黏附力及Rayleigh不稳定性的影响,亲水性区域直径增加时,液滴破碎所对应的临界Weber数随之增大;此外,Weber数较大时,液滴最大铺展因子不受亲水性区域直径的影响,Weber数较小时,最大铺展因子随亲水性区域直径的增大而增大。     

液滴碰撞亲-疏水性组合壁面的数值分析

采用VOF方法对液滴碰撞亲-疏水性组合壁面过程进行数值模拟。通过量纲1化,在Reynolds数不变的情况下,研究Weber数和亲水性区域直径对液滴碰撞动态特性的影响,绘制了液滴碰撞结果分区图。结果表明：随着Weber数从1增加至100,液滴呈现出附着、短液滴一次破碎和长液滴多次破碎3种状态;液滴破碎过程受到表面张力、壁面黏附力及Rayleigh不稳定性的影响,亲水性区域直径增加时,液滴破碎所对应的临界Weber数随之增大;此外,Weber数较大时,液滴最大铺展因子不受亲水性区域直径的影响,Weber数较小时,最大铺展因子随亲水性区域直径的增大而增大。     

熵产方法在旋风分离器内部能耗分析中的应用

应用雷诺应力模型对壁面绝热的旋风分离器的流场进行数值分析,对模拟结果采用熵产分析法和(火用)分析法计算分离器的(火用)损,证实了热力学第二定律研究旋风分离器能量损失的可行性。分别计算了旋风分离器内湍流熵产、黏性熵产、壁面熵产和温差传热熵产。结果表明,壁面熵产和湍流熵产占总熵产的比例分别大于56%和38%,是影响旋风分离器能耗的主要因素。分析了旋风分离器内局部熵产,结果表明,芯管附近体积占旋风分离器体积的10%,其熵产占分离器总熵产的比例高于14%,灰斗入口附近体积仅为旋风分离器体积的5.8%,其熵产占总熵产的比例高于16%,因此芯管附近和排尘口附近是旋风分离器能耗的主要区域。     

旋风分离器内气相流场的相似模化分析（Ⅱ）尺寸参数

基于数值模拟方法分析了几何相似旋风分离器在直径尺寸变化时的气相流场的模化特性。旋风分离器的直径变化范围为100～2100 mm，重点考察流场量纲1速度分布的相似性、尺寸参数的自模特性。模拟结果表明，旋风分离器的直径尺寸变化后，流场的形态结构不变，但量纲1切向速度分布存在一定变化，流场不具有严格的自模性。但随直径尺寸的增大，旋风分离器内流场由弱自模性向强自模性发展，当直径超过2000 mm后，流场量纲1速度基本保持相似与恒定，Euler数与Reynolds数不相关，流场处于强自模区。流场的这种自模特性反映了流场的惯性阻力损失和黏性摩擦损失之间的比例关系和大小变化。随着直径尺寸的增大，黏性摩擦损失系数减小，惯性阻力损失系数增大，但Euler数是减小的。当达到很大的直径时，Euler数恒定，Euler数与Reynolds数不相关，流场进入自模区，流场流态保持相似性。     

制冷剂瞬态喷雾冷却表面传热特性

喷雾冷却在工业工程中应用广泛,其表面相变传热过程非常复杂,需要开展深入研究揭示其机理与规律。以R134a、R407C及R404A制冷剂为工质开展瞬态喷雾冷却表面相变传热特性实验研究,提出了表征冷却表面内部导热阻力与喷雾表面对流传热阻力之比的喷雾Biot数,以及表征瞬态喷雾冷却最大热通量及其出现时刻的量纲1 Reynolds数Re_l和Fourier数Fo_l。将Jakob数Ja与Re_l及液滴Weber数We关联,提出了最大热通量及其出现时刻的通用量纲1关联式。发现不同制冷剂的瞬态喷雾冷却过程具有相似性,得到了热通量随时间变化的量纲1关联式。利用上述关联式对喷雾表面瞬态温度进行模拟,结果与实验结果吻合较好,证明了关联式的准确性。     

制冷剂瞬态喷雾冷却表面传热特性

喷雾冷却在工业工程中应用广泛,其表面相变传热过程非常复杂,需要开展深入研究揭示其机理与规律。以R134a、R407C及R404A制冷剂为工质开展瞬态喷雾冷却表面相变传热特性实验研究,提出了表征冷却表面内部导热阻力与喷雾表面对流传热阻力之比的喷雾Biot数,以及表征瞬态喷雾冷却最大热通量及其出现时刻的量纲1 Reynolds数Rel和Fourier数Fol。将Jakob数Ja与Rel及液滴Weber数We关联,提出了最大热通量及其出现时刻的通用量纲1关联式。发现不同制冷剂的瞬态喷雾冷却过程具有相似性,得到了热通量随时间变化的量纲1关联式。利用上述关联式对喷雾表面瞬态温度进行模拟,结果与实验结果吻合较好,证明了关联式的准确性。     

三维槽道的周期性层流流动与传热

应用数值模拟方法分析了以周期性方式布置不同节距比(PR=L/H)、倾角为45°挡板槽道的流动特性与传热特性。挡板在槽道上下壁面对齐布置高度比(BR=b/H)为0.2,以便在槽道内部形成一对沿流向的反向旋涡。数值模拟计算Reynolds数范围为100~1000,流体介质为空气。计算结果表明:布置斜置挡板后,在槽道内诱导产生了沿流向的旋涡流,且在测试段中旋涡流冲击槽道上下壁面和槽道一侧壁面,结果使得传热效率提高;分析了范围内平均Nusselt数比Nu/Nu₀、摩擦系数比f/f₀及传热增强系数η随节距比PR和Reynolds数的变化关系,并建立了相应的准则关系式;当挡板间节距比为0.5时,传热增强系数可达最大值3.0。     

大型燃煤锅炉内辐射熵产及辐射(火用)试验研究

为了研究燃煤炉膛内辐射传热效率,达到节约能源,降低污染物排放的目的,提出一种大型炉膛内辐射熵产及辐射火用的试验测量方法,并应用于一台200 MW发电机组的670 t/h燃煤锅炉上。通过在锅炉上安装CCD相机获取炉内辐射图像,基于辐射反问题求解方法重建炉膛底部、燃烧器区域及炉膛出口3个截面的炉内温度分布及辐射特性,进而获得炉内煤粉燃烧介质和水冷壁的辐射熵产、辐射熵产数及辐射火用,并分析了炉内温度分布的均匀性及壁面辐射热流对燃煤锅炉内辐射熵产和辐射火用的影响。结果表明,随着燃煤锅炉内温度分布均方差增大,煤粉燃烧介质吸收、发射及散射过程的不可逆性增大,辐射传热效率越低,燃烧介质产生的辐射熵产从419 W/K增至629 W/K,辐射熵产数从0.048增至0.067;随着水冷壁面热流增大,水冷壁面辐射传热过程的不可逆性增大,辐射传热效率降低,水冷壁产生的辐射熵产从1.566 k W/K增至4.575 kW/K,辐射熵产数从0.258增大至0.346;在燃煤锅炉的燃烧器区域,由于燃烧温度相对最高,其辐射换热过程相对最剧烈,有用功相对最多,因而辐射火用相对最大;而对于温度相对最低的炉膛出口区域,其辐射换热过程相对最弱,有用功相对最少,因而辐射火用相对最小。由此可见,对于实际炉膛而言,提高炉膛内温度场的均匀性,尤其是提高炉膛燃烧器区域内温度场的均匀性,对于提高燃煤炉膛辐射传热效率具有重要的意义。     

错排双级黏性泵的动力学性能

采用二维层流模型研究错排双级黏性泵的流场和动力学性能。研究发现错排双级黏性泵流场分为3个区域,上游区域没有明显漩涡,下游区域漩涡作用比较显著,而转子间区域的流场随着转子间距增大不断发展,间距较大时出现明显漩涡。黏性泵的量纲1流量随Reynolds数增大而显著降低,但低Reynolds数时趋于定值。转子偏心距增大时,转子两侧流动不平衡性加剧,量纲1流量近似线性增加,而量纲1驱动功率的增幅相对较小。随着转子间距增大,错排双级黏性泵的量纲1流量降低,而量纲1驱动功率则先增后减。     

流体在超轻多孔金属泡沫中的流动和换热特性

以去离子水为冷却液,对其在超轻多孔铜泡沫中的流动和换热特性进行了实验研究。在测定和分析流量、压力降和温度等实验参数的基础上,获取了热流密度、金属泡沫孔密度、液体流量等参数对层流流体流过金属泡沫时的压力降、通道壁面温度、对流换热等特性的影响。结果表明金属泡沫会显著强化对流换热,大大降低通道的壁面温度,其对流换热能力会随Reynolds数的增大而逐渐增强,最大Nusselt数可达空矩形通道的13倍,但与空通道相比,金属泡沫通道的压力降显著增大,并随Reynolds数及金属泡沫孔密度的增大而增大。     

旋风分离器内气相流场的相似模化分析（Ⅰ）流动参数

基于数值模拟方法分析了流动参数变化对旋风分离器内气相旋转流流场模化特性的影响。选择直径φ300 mm的旋风分离器为计算模型,在入口气速0.5～30 m·s^-1、气体温度293～1273 K和操作压力0.1～6.5 MPa范围内,分析了流动参数变化对流场量纲1速度分布相似性的影响,考察了常规参数模型与高参数原型之间的流场模化关系。模拟结果表明,流动参数变化后,虽然旋风分离器内旋转流流场仍呈现准自由涡与强制涡分布形态,但流场的量纲1速度分布不能保持完全恒定和相似,存在着一定的变化。然而当入口速度高于20 m·s^-1,或压力高于3.0 MPa时,流场量纲1速度可以基本保持恒定,不再随流动参数变化而改变,Euler数与Reynolds数不相关,近似处于流场的自模区;当温度超过1000 K后,Euler数基本不受Reynolds数变化的影响,流场也可以保持相似性。最后从能量损失的观点,讨论了Reynolds数和Euler数之间的相互关系,分析了流动参数对旋风分离器气相旋转流流场自模特性作用的机理。