折流杆换热器壳程湍流和传热的数值模拟

折流杆换热器壳程结构复杂,用理论方法难以获得壳程流体流动和强化传热机理.为了分析折流杆在换热器壳程中作用,采用数值方法研究了壳程流体的流动和换热状况.首先对壳程结构进行适当简化,提出了换热器壳程的"单元流道"模型用于研究纵流式换热器壳程流场和温度场的实际细观信息.针对三维几何模型和数学模型,数值模拟采用标准k-ε两方程湍流模型,用SIMPLE算法求解速度和压力的耦合关系,流道的固体边界采用壁面函数法,在不同进口流量下对单元流道进行模拟.结果表明,纵横交错布置的折流杆在单元流道中不断分割和剪切流道内流体,其扰流作用促进了流体湍流,减薄了液体边界层,减小了对流换热热阻,因而有效地提高了流体的对流换热强度.数值分析结果可为折流杆换热器的结构优化和性能提高提供理论依据.     

带有周期性扰流结构的微通道内流动与传热特性

设计了一种周期性扰流微结构,由布置在微通道侧壁的凹穴和微通道中心的针肋组成。研究了该热沉内流动和传热特性,分析了扰流结构几何参数对热沉不可逆损失和散热效率的影响,利用热阻和强化传热因子评价综合性能。研究表明,等腰梯形凹穴的底边相对长度（RL）对热沉性能具有显著影响。雷诺数（Re）较大时,减小RL能够明显减小凹穴内部的旋涡,从而减小流动摩擦损失,降低通道压降和流动不可逆性。同时,减小RL有利于增强流体对凹穴收缩段的冲刷,减小凹穴内的层流滞止区,将凹穴处的热量及时带走,从而提高热沉的散热效率。与传统光滑微通道（SM）相比,周期性扰流结构能够显著减小热沉的总熵产和热阻,增大强化传热因子,提高热沉的综合性能。综合考虑传热和流动阻力,较低泵功条件下,RL=0.3的热沉综合性能最优;较高泵功条件下,RL=0的热沉综合性能最佳。周期性扰流结构能够提高微冷却系统的效率和经济性,在微型器件冷却领域具有广阔的应用前景。     

管内扰流元件的强化传热原理与性能指标研究进展

扰流元件是一种简易、有效的强化传热方法。扰流元件主要应用于管壳式换热设备的换热管内,通过对管内流体的分流与旋流作用,使管内流体边界层变薄,污垢沉积始终处在较低水平,增大流体的管内对流传热系数,从而到达强化传热的效果。本文综述了多种扰流元件的国内外研究进展,并阐述了它们产生强化传热的机理、结构特点及适用场合。应用综合考虑扰流元件的强化传热效果与引起压力降增加的方法,比较了各种扰流元件的优缺点。总结了扰流元件的性能指标参数及其计算方法。总结了计算流体力学软件与冷模实验相结合的方法以及这种方法的应用场合。结合作者设计扰流元件的实践经验,给出了工程应用时计算流体力学软件与冷模实验相结合的实验方法以及扰流元件的选型设计方法与步骤。     

全钒液流电池电解液分布的数值模拟

为了提高全钒液流电池双极板流道电解液分布均匀性,考察流体流动行为,本文基于计算流体力学,在传统平直并联流道基础上通过增加倾斜挡板和入口流堰,改进流道结构;同时探究钒电池用电解液在分段式多通道蛇形流道内流体水力学特征。数值模拟结果表明：分段式多通道蛇形流道既可以保持传统蛇形流道流体均匀分配的性能,又能有效降低流阻,减少泵耗;合适的电解液流速及其均匀分布可以优化电解液活性物质浓度分布,提高电解液稳定性,增大钒电池能量效率。     

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。     

稠油采出流体余热回收流动传热特性

为回收稠油热采生产的井口流体余热,采用数值模拟方法,研究稠油井口采出流体在矩形流道内的流场与温度场,分析不同参数对流动传热特性的影响规律,得到流动压降及传热系数计算式。结果表明：不凝气质量分数影响最大,随着不凝气质量分数增加,热交换器传热性能降低,流动阻力增大;当不凝气质量分数>10%后,流动传热特性几乎不再受其影响;进口采出液流速增加、通道水力直径减小,传热性能变强、流动阻力变大;进口温度升高使冷凝段长度降低,热交换器整体压降降低。     

复合扰流柱的螺旋内构件反应器内流体的宏观混合

在管式反应器内插入复合扰流柱的螺旋型内构件,采用脉冲示踪法测定了反应器内流体的停留时间分布,研究了器内流体的宏观混合特性,分析了该内构件强化混合的机理. 结果表明,复合扰流柱的螺旋型内构件反应器内的流体流动更接近于活塞流,其轴向扩散模型参数Pe为螺旋型内构件反应器的1.02~1.28倍,为不带内构件反应器的1.35~1.77倍. 复合扰流柱的螺旋型内构件能显著增强器内的二次流动,从而强化了宏观混合效果.     

杆栅支撑纵流壳程换热器壳侧流体流动与传热的数值模拟

根据杆栅支撑纵流壳程换热器的结构特点对其进行简化,建立了周期性单元流道模型,应用CFD软件FLUENT对不同介质、不同Reynolds数、不同折流栅间距时的模型进行流动和传热的模拟、分析与比较,获得了流道内流体流动和传热的细观特征以及折流栅间距的最优取值范围,为纵流壳程换热器的研究和应用提供了一定的参考.     

旋流网板换热器强化传热机理分析

主要分析了用于硫酸转化系统气体换热的旋流网板换热器中旋流片强化传热的机理,在实验研究基础上,应用周期性单元流道模型,数值模拟了空心环和旋流片支撑时的流体湍流流动和传热性能。结果表明,旋流片能迫使流体做强烈的三维螺旋运动,增强流体湍流度,同时使流体冲刷壁面,减薄边界层,其传热效果优于空心环。旋流片产生的自旋流具有高效低阻的优势,其强化传热综合性能优于空心环。     

高压玻璃钢管道固化工艺芯模传热特性研究

本文研究采用蒸汽从内部加热的高压玻璃钢管道固化工艺,介绍了其工艺原理,建立了芯模的传热模型以及内部蒸汽流动的动力学模型,基于标准κ—ε两方程湍流模型和汽液两相流相变模型,使用有限元流体分析软件Fluent对芯模传热的蒸汽流动和传热过程进行数值模拟,根据仿真结果得到了蒸汽流场以及温度场分布情况和变化历程,分析了蒸汽流场内压力、温度、速度等物理量与蒸汽控制参数和流道结构参数之间的关系。本文的研究为高压玻璃钢管道固化工艺的实现以及芯模结构参数和蒸汽控制参数的优化提供理论依据。     

扰流柱形状对透平机械尾部冷却效果的影响

对滴形扰流柱对透平机械尾部换热及阻力的影响进行了实验研究，设计了柱体形状及排列方式的影响。实验结果表明，滴形扰流柱和常用的圆柱相比，具有强化传热及节能的双重优点。     

蒸发式空冷器强化传热性能

蒸发式空冷器是由换热盘管、循环水泵和风机等组成的一个复杂系统,系统内部各部件相互影响,优化组合对强化传热至关重要。实验研究了循环水泵频率、风机频率、管内流体进口温度和热水泵频率等因素对蒸发式空冷器传热性能的影响。结果表明:管内流体进口温度增加时,传热速率和管外联合传热系数均呈现持续增加的趋势;热水泵频率增加时,管外联合传热系数基本没有变化,但传热速率随之增加,增加到一定程度后趋于稳定不变;循环水泵和风机频率的变化对传热性能的影响并非简单的正相关关系,二者存在一个最佳的耦合;当管内流体进口温度为50℃时,实验确定在循环水泵频率为30 Hz,风机频率为45 Hz,热水泵频率为42 Hz时,系统的传热性能达到最优。对管外联合传热系数的研究,简化了工艺计算过程。研究结果为蒸发式空冷器的优化设计,以及节能优化操作提供了一定的依据。     

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。     

换热管内插扰流子的数值模拟研究

针对强化换热时较难避免的压降损失问题,以数值模拟为手段,对比分析了换热管中安装V字折流板（V-baf）、柱状扰流子（C-rod）,以及旋流子（S-gen）等扰流元件后,流体流动和换热情况。结果表明：扰流元件的加入,可以一定程度上强化传热;总结文献中已有的换热性能评价标准,综合考虑换热强化和压降损失,发现PEC（Performance Evaluation Criterion）是一种容易理解、易于计算的评价指标;经过对比3种扰流子的换热效果,其中旋流子诱导管内流体产生旋转流动,旋转流动可以使得流体在径向发生混合,增大核心区流体温度均匀程度,符合二次流强化与核心流强化原则;同时,旋转流动持续距离长,可以保持较长距离不衰减,换热综合效果较好。     

管内层流强化传热的数值模拟

通过数值模拟,研究了85%甘油在含旋流片缩放管管内的传热与流阻特性,并与光滑管、缩放管的传热与流阻特性进行了对比。研究结果表明,层流时含旋流片缩放管的综合因子大于缩放管,且缩放管内插入6个小角度旋流片具有更好的传热性能。在有旋流片段可以通过减薄边界层厚度与增加有效传热温差的双重途径提高传热速率,而在旋流片下游段则可以利用有效传热温差的缓变特性继续维持较大的传热速率,从而能避免过多的流体置换次数,极大幅度的降低流体的输送功耗。     

新型强化传热螺杆塑化过程数值模拟分析

通过fluent软件数值模拟了聚丙烯在普通注塑螺杆和新型强化传热结构的简化展开模型中的流动过程,计算分析了2种不同结构的螺杆流道中流体流动的非等温流场。研究结果表明:新型强化传热结构流道里的熔体存在明显的翻转现象,机筒顶部和螺杆底部熔体存在质交换的过程。与普通螺杆相比,该新型结构流道里的熔体经过径向的翻转之后,各个轴向横截面上的温度分布更均匀,在出口截面处的温度更高。因此,该新型结构在增加对流传质的同时,又增强了螺杆的强化传热。     

定距柱对螺旋板式换热器传热特性的影响

螺旋板式换热器的螺旋板间焊有定距柱,用于增强换热器的结构强度及增加流体扰动。为了研究定距柱排列密度对螺旋板式换热器传热特性的影响,建立螺旋板式换热器周期结构模型,利用计算流体动力学(CFD)软件对其传热过程进行数值模拟。结果表明:周期结构模型适用于螺旋板式换热器传热过程的模拟;弯曲可强化通道的对流换热过程;增大定距柱排列密度可提高换热器的传热性能。湍流状态下螺旋流的努塞尔数准则方程未充分考虑定距柱的影响,根据数值模拟得到的定距柱排列密度与努塞尔数的变化关系对准则方程进行修正。与原准则方程相比,修正后的方程将努塞尔数预测值与试验值的误差从-40%～-20%降低至-9%～20%。     

基于棉线的微流体燃料电池阳极传质特性LB模拟

基于棉线的微流体燃料电池采用棉线作为流道，无须外部泵、易于微型化，是便携式微流体设备非常有前景的电源，但其性能受阳极燃料传质的限制。本文采用格子Boltzmann方法研究基于棉线的微流体燃料电池阳极耦合电化学反应的传质特性，通过构建三维的棉线流道数值模型，计算得到该流道内燃料的速度及浓度分布，并讨论燃料的进口浓度及流量对该电池阳极性能及传质特性的影响。计算结果表明：阳极极化曲线与实验结果吻合较好；燃料在棉线内部的流速较低，在不同阳极过电位下，燃料浓度沿流动方向均降低，且过电位越大降低得越多；进口燃料浓度越高时，平均电流密度越高，阳极性能升高；随着进口燃料流量的增加，棉线与反应界面接触部位的浓度与其他区域浓度之间的差异增大，而进口流量较低时，该浓度的差异较小且流道后段的浓度较低。     

结霜下空温式深冷翅片管传热特性

翅片管的传热特性决定着液化天然气(LNG)空温式气化器的气化性能，且管外表面结霜对传热特性的影响不可忽略。以空温式深冷翅片管为研究对象，建立翅片管空气侧传热模型，引入霜层物性参数经验公式，探究霜阻随风温与气化时间的变化规律，采用流体体积函数(VOF)多相流模型捕捉翅片管内气液两相区的流型，模拟分析结霜结露工况下翅片管内流动沸腾传热过程，研究单根翅片管管内外流固耦合传热机理。结果表明：强制通风下，当送风温度为273 K时，翅片管持续气化运行15 000 s,霜层厚度为10.8 mm,天然气出口温度为267.2 K;提高送风温度，有利于翅片管持续稳定运行；管内气相区长度随着送风温度的降低而降低，其占总管长的比例从303 K时的75%降低到了273 K时的35%;随着LNG入口流速的增大，管内流体传热系数提高且提前达到峰值，但达到0.8 m/s时管内出现传热恶化，导致液态天然气气化不完全，需选取合理的入口流速值。     

帘式折流片换热器壳程流体流动和传热周期性充分发展区域长度界定研究

为了能清晰地了解帘式折流片换热器的壳程特性,采用数值模拟的方法对帘式折流片换热器三维实体模型壳程流体流动和传热性能进行研究。分别从压力梯度、无因次温度、速度三个主要特征,分析具有不同壳程流体流量,不同折流栅装配方式下帘式折流片换热器壳程流体流动与传热周期性充分发展区域的长度范围。在所研究范围内得出当折流栅同向装配时,流体在翻过第三块折流栅后到倒数第一块折流栅之间,流体的流动和传热为周期性充分发展状态;折流栅对称装配时,流体在翻过第二块折流栅后到倒数第一块折流栅之间为周期性充分发展段。帘式折流片换热器几何结构一定的情况下,周期性充分发展区域的长度与壳程流体流量的变化无关。