双套管双管板换热器流动及传热性能数值模拟

采用CFD软件方法,研究双套管双管板换热器传热及流动特性.对隔绝腔连同内外套管的环形间隙内分别充入空气、水、甲苯气体和氩气4种介质进行模拟.结果表明:不同介质对传热有不同影响,充入水时的换热效果最好,甲苯气体的最差;壳程介质在流体接管进、出口附近存在回流和绕流且速度较小,管程介质流动较为均匀,受壁面边界层影响,速度在管...     

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。     

Effects of roughness elements on laminar flow and heat transfer in microchannels

A model of laminar flow and heat transfer in rough microchannels is developed and analyzed numerically to compare the effect of roughness elements on the thermal and hydrodynamic characteristics. In this model, the rough surfaces are configured with triangular, rectangular and semicircular roughness elements, respectively. Here, the effects of the Reynolds number, roughness height, and roughness element spacing on pressure drop and heat transfer in rough microchannels are all investigated and discussed. The results indicate that the global heat transfer performance is improved by the roughness elements at the expense of pressure head when compared to the smooth channel. Differing from the smooth microchannels, both the Poiseuille number and average Nusselt number of rough microchannels are no longer constant with Reynolds numbers and are larger than the classical value. Especially, the difference from the effects of three types of roughness elements is identified. With the increasing roughness height, the flow over surfaces with semicircular and triangular roughness elements induces stronger recirculation and flow separation. This contributes to heat transfer enhancement but also increases the pressure drop. However, the influence of the rectangular roughness element height is weaker than that of semicircular and triangular elements. In addition, the effects of the spacing of roughness elements on the Poiseuille number and average Nusselt number are in decreasing order for semicircular, triangular and rectangular roughness elements, respectively.     

强化换热凹槽管内流动与传热数值模拟

以水为工作介质,应用三维常物性不可压缩流体稳态湍流模型,对凹槽管内的流动、阻力与传热性能进行了模拟研究,并与光滑管进行对比。结果表明,凹槽管主要通过扰动、漩涡使层流底层的局部温度梯度变大,从而使换热性能比光滑管强。凹槽结构能显著增强流体的扰动和相互掺混,并产生径向漩涡,减小边界层厚度,加剧流体湍流,促使边界层表面快速更新,从而强化传热,但同时也使其流动阻力增加。最后应用场协同理论,从局部换热角度分析了凹槽管强化换热的机制。强化换热另一重要途径是使换热器内速度场与温度梯度场之间夹角变小,改善速度场与温度场协同程度。     

水/乙醇混合工质在硅基微通道中的流动与换热

以不同浓度的乙醇水溶液为工质,在5种不同几何尺寸的梯形硅基微通道中进行了层流流动与换热的实验研究。基于实验结果,分别得出了摩擦常数和平均Nusselt数的实验关联式。实验发现微通道的几何尺寸对微流体的流动与换热特性有着非常显著的影响,各通道中的换热随乙醇溶液浓度的变化而呈现不同的特性,而流动特性则不随溶液浓度的变化而变化。同时还发现在本实验参数范围内,入口段效应对流动与换热的影响都十分显著。     

铜基正弦波微通道内流动沸腾传热特性试验研究

基于超快激光技术加工铜基正弦波弯曲型微通道,以去离子水为流动工质,在不同质量流量和热通量条件下,对弯曲型微通道内流动沸腾特性进行试验研究。基于温度/压力数据和流动可视化结果,发现通道传热系数随出口干度增大,呈迅速增大后减小并趋于稳定趋势,正弦波微通道相较直微通道具有更好的换热性能,传热系数最大提高127.7%,压降仅增加14.4%。波状通道结构能明显抑制流动沸腾中不稳定现象发生。通过可视化试验发现,随热通量增大,流型经历泡状流-弹状流-环状流的转变,换热主导机制由核态沸腾逐渐过渡到薄液膜蒸发。     

涡强化扁管管片散热器流动与传热的数值模拟

以空气为介质(Pr=0.698),通过数值模拟的方法,在Re=300～1800的范围内对涡强化扁管管片散热器初始段层流状态下的流动与传热进行了模拟分析,说明了涡产生器横向位置,即交错系数Sr改变时对局部Nu_local和横断面上的平均Nu_b的影响,并通过实验数据验证了数值模拟方法的正确性,证实了通过数值模拟的方法研究、开发换热板芯的可行性.     

多孔壁面微通道换热性能的实验研究

微通道散热器作为一种高效散热器件,广泛应用于微电子、光电、汽车、航天国防、能源等领域。针对传统光滑微通道传热面积小、换热性能偏低、沸腾迟滞等问题,本文提出一种多孔壁面微通道结构,并采用激光直写方法实现微通道多孔壁面的高效、稳定生成。该多孔壁面微通道显著增大了换热面积、促进流体的扰动、提供大量稳定沸腾核心,从而强化单相与两相沸腾传热。通过搭建微通道换热性能测试系统,测试对比了多孔壁面微通道与光滑微通道的单相对流、两相沸腾传热性能。发现多孔壁面微通道的Nu数相对于光滑微通道提升了21%~31%。在两相沸腾换热过程中,其粗糙多孔结构促进了沸腾气泡成核,其核态沸腾起始温度相比于光滑微通道降低了35%。同时粗糙多孔结构可以保证沸腾过程中的液体持续供给,从而大幅提升了沸腾换热能力,避免了干涸现象的提前发生,其两相沸腾换热系数相对于未处理的光滑微通道最大提升了83%。此外,还开展了不同流量下多孔壁面微通道的沸腾传热性能测试,发现在质量流率为G=500kg/(m²·s)下的沸腾换热系数相对于G=200kg/(m²·s)情况下最大提升了30%。     

微槽道内饱和沸腾传热试验及其动力学分析

以去离子水为工质,在高为2mm,宽分别为0.3,0.6,2mm的铝制矩形槽道内进行了饱和沸腾换热试验。试验结果表明,去离子水在微尺度条件下其换热特性优于常规尺寸。且随着槽道尺寸减小,其换热能力逐渐增强。最后对0.6mm×2mm的矩形微槽进行试验,获得了压差随时间波动图。对该序列进行Lyapunov指数计算,结果表明,系统出现了混沌,表明微尺度的传热性能与系统的混沌特征有一定的关系。     

方肋微通道内流动沸腾的气泡动态与传热特性分析

为揭示方肋微通道热沉内流动沸腾的传热传质机理,本文基于耦合VOF方法与“饱和界面”相变模型对微通道内单个气泡绕流加热方肋的传热传质过程进行了数值研究。通过分析该过程中气泡增长速率与方肋壁面传热系数的变化,重点讨论了初始气泡体积和入口雷诺数Re对相变传热效率和流动结构的影响。结果表明：在气泡流经加热方肋过程中,气泡与方肋表面之间形成一层薄液膜,该薄液膜的相变蒸发极大强化方肋表面的换热效果,换热系数较相同条件下的单相流动提升6倍以上。此外液膜厚度随Re增大而变厚,液膜热阻相应增大,液膜蒸发对换热的促进作用随Re增大而降低。最后考察了气泡体积对方肋壁面换热的影响,结果表明：初始体积大的气泡具有更薄的液膜厚度及更大的蒸发面积,表现出更高的相变传热效率;而小气泡对壁面温度影响较小。     

连通微通道内过冷流动沸腾传热强化机理分析

连通微通道（平行主通道由支流通道连通）流动沸腾传热具有优越的换热性能,但其传热传质强化机理尚不够明确,限制了其实际应用。鉴于此,本文基于流体体积函数（VOF）方法,对连通微通道内过冷流动沸腾进行二维非稳态数值模拟,研究了流场扰动、脱落汽泡与壁面间的薄液膜分布对微通道当地传热系数的影响规律。结果表明,连通微通道存在两种强化换热机理：支流通道脱落汽泡可增强主通道流场扰动,进而促进了通道热边界层再发展;脱落汽泡与热壁面间可形成薄液膜,该薄液膜减小了换热热阻。同时研究了支流通道倾角（θ）对连通微通道强化换热的影响,结果发现,不同θ时,连通微通道整体平均传热系数提高10.51%~17.66%,单个主通道平均传热系数最高可提升27.94%,且θ=45°时连通微通道具有最佳换热特性。该研究有望为芯片高效冷却结构的设计提供指导。     

Numerical study on fluid flow and heat transfer in grille-support structured packed beds

Packed beds of particles are widely used in chemical industrial production as core units of fixed bed reactors, dryers, filters and other equipment. Based on traditional structured packed beds, this paper proposes some novel grille-support structured packed beds. The novel grille-support packed beds can be quickly constructed by using the new grille, including grille-support simple cubic (G-SC), grille-support body center cubic (G-BCC), grille-support loose face center cubic (G-LFCC) and grille-support compact face center cubic (G-CFCC) packing. In this paper, the flow and heat transfer characteristics of grille-support structured packed beds are numerically studied. Results show that, the packed beds with different packing forms have diverse flow and heat transfer performance. Under the same face center cubic packing form, the flow and heat transfer could be also significantly different with disparate grilles. It is also revealed that, compared with the traditional structured packed bed, the pressure drop of the grille-support structured packed bed is reduced while the heat transfer coefficient is similar, so the overall heat transfer efficiency is notably improved.     

新型格栅支撑有序堆积床内流动传热数值研究

颗粒堆积床作为反应器和分离器等的重要组成广泛应用于实际化学工业生产中。基于传统的有序堆积结构,提出了一种新型格栅支撑有序堆积结构,通过采用新型格栅支撑结构可以快速构建有序颗粒堆积床,其中包括格栅支撑简单立方、格栅支撑体心立方、格栅支撑疏松面心立方和格栅支撑密实面心立方颗粒堆积结构。对4种颗粒堆积单元通道内的流动换热进行模拟研究后发现,不同堆积形式的格栅支撑颗粒堆积床流动换热性能不同;在相同的面心立方堆积形式下,使用不同的格栅支撑结构,其流动传热也有明显差异;与传统有序堆积结构相比,在换热相差不多的情况下,格栅支撑有序堆积结构的压降减小,所以其综合换热效率有明显提升。     

微通道内气-液传质研究

以CO₂-H₂O为模型体系，实验考察了当量直径为667 μm的单通道和16个并行通道内的气-液传质行为.实验发现，液体表观速度增加，单通道内液侧体积传质系数明显提高;同一液体表观速度下，液侧体积传质系数随气体表观速度增加而增加;在实验数据基础上关联了液侧体积传质系数与气-液两相流参数间的关系.微通道内的液侧体积传质系数较常规尺度气-液接触设备至少高1～2个数量级.并讨论了并行微通道内气-液两相流分配特性对整体传质性能的影响，表明合理设计气、液流动分布结构，可保证微通道内优异的传质特性.     

内插松弛扭带波节管的流动与传热特性的数值模拟

采用RNG k-ε数值模拟方法研究一种新型内插松弛扭带波节管（CLT）的流动与传热特性。将数值模拟结果与自建实验台的实验结果进行了对比验证;比较了CLT和内插松弛扭带光管（SLT）的传热性能差异;考察了CLT中扭率和余隙比对流动和传热特性的影响规律。研究结果表明CLT相比于传统的SLT,传热性能最多提高1.17倍,综合传热性能的绝对数值最多增加0.15。CLT的综合传热性能随着扭率的增加而增加,而增加的幅度却逐渐减小,高Reynolds数时减小的程度更加显著。同时,综合传热性能随着余隙比的增大而降低并且降低的幅度也逐渐减小,在低Reynolds数时明显降低,而在高Reynolds数时略微降低。综合考虑,低Reynolds数时应该选择余隙比低的扭带,而高Reynolds数时则应选择余隙比高的扭带。     

微型硅基内肋管内的流动与换热特性

目前内肋管强化换热研究大多基于铜、铝或者不锈钢等常规材质,其加工精度和加工尺寸均受到限制。本文采用MEMS工艺首次在硅片上制作成带有方形内肋的平行硅基微通道,并对其内部流动和换热特性进行了实验研究,结果表明：在通道深度和宽度相同的情况下,肋高和肋间距对工质在通道内的流动阻力和换热特性有显著的影响;微通道内加肋以后,通道内的流动阻力和换热性能有不同程度的增加,且提高程度与肋高和肋间距有关;通过合理的设计肋高和肋间距,可以起到明显的强化换热作用。结果还显示,进口段效应对硅基微通道内的流动和换热影响较为显著。     

三叶孔板换热器壳程流动及传热数值模拟

三叶孔板换热器是一种新型纵流换热器,广泛应用于核电装备领域。针对目前使用较多的壳程“单元流道”模型的局限性,建立了三叶孔板换热器壳程整体模型,包括进出口接管。采用商用软件FLUENT14.0及RNG k-ε湍流模型对壳程流体流动与传热进行了数值研究,分析了三叶孔板换热器壳程流动与传热特性。结果表明：流经第一块支撑板后,流体已充分发展,并且随着壳程结构周期性变化,传热与压降也呈现周期性变化。在支撑板附近,流体流速变大,形成射流,并且由于支撑板阻挡,在支撑板前面和尾部产生二次流,能有效冲刷管壁,减薄流动边界层,起到强化传热作用。     

粗糙表面微通道电渗流的数值模拟

电渗流（EOF）广泛应用于微流控芯片中的流体的传输与混合。针对带有粗糙表面的平行板微通道,建立了描述EOF的控制方程,基于有限元分析方法对具有不同粗糙度和EDL厚度的微通道内的EOF进行了数值模拟。结果表明,当EDL厚度接近0.3倍粗糙度大小时,粗糙度对EDL的影响较大,EOF受到粗糙度的阻力作用较为明显,而当EDL厚度相对粗糙度较大和较小时,EOF速度受到粗糙度的影响相对较小;粗糙表面微通道中部EOF速度与相对EDL厚度的关系呈“V”型曲线,EOF平均速度呈“L”型曲线。研究结论对于微通道表面的优化设计以及微流控芯片中流体的精确操控具有一定的参考意义。     

管壳式换热器壳程流体流动与换热的数值模拟

为了研究纵向多螺旋流管壳式换热器壳程流体湍流流动与换热的工作机理,文中利用FLUENT软件,在壳程流体流速设定值不断改变的情况下,对纵向多螺旋流管壳式换热器壳程湍流流动与换热进行了三维数值模拟。得到了多螺旋流管壳式换热器在不同的壳程流体流速下的温度场、速度场、质点迹线图、壳程传热膜系数分布图等。根据模拟得到的结果,从多个方面对纵向多螺旋流管壳式换热器壳程湍流流动与强化传热进行了探讨。模拟结果与实验结果进行了比较,二者误差约在±11%以内,吻合良好。     

内插旋流片的管内流动与换热的数值模拟

通过数值模拟,详细考察了光管内间隔插有旋转角为270.°、旋流角为38.1°旋流片的速度场与热流场的分布特性及其相互间的协同,并对4种旋流片的场协同数进行了比较。结果表明,在同样Reynolds数下,根据场协同数的大小来排列的旋流片类型依次为270-38.1、180-38.1、270-20.3、180-20.3,且与传热性能高低排列是一致的。通过改善速度场与温度梯度场的协同程度是提高换热性能的一个有效手段,且内插旋流片能有效地改善速度场与温度梯度场的协同程度从而提高换热性能。