一种扁管管翅式换热器的高效数值设计方法

传统的数值模拟方法计算量大,计算时间长,很难满足现代工业发展的需求。以扁管管翅式换热器为例,采用适体坐标与最佳正交分解（POD）相结合的方法构建了低阶模型,在等热流边界条件下对扁管管翅式换热器中流动与传热过程进行计算,并将POD计算结果与有限体积法（FVM）计算结果进行了对比。结果表明：POD方法能准确地捕捉到不同数量参数变化情况下的温度场及速度场信息。对于3变量工况重构速度场及温度场的相对偏差平均值的最大值分别为1.90%、0.308%。采用POD方法在保证计算精度的前提下将FVM计算速度最大能提高3093.4倍。研究对于提高扁管管翅式换热器数值设计效率、拓展POD方法的工程应用领域有一定的理论参考价值。     

基于POD降阶模型的正弦波翅片扁管管翅式换热器流动与传热特性分析

为了提高正弦波翅片扁管管翅式换热器的数值设计效率,以FVM (finite volume method,有限体积法)的计算结果作为样本数据构建POD降阶模型,研究换热器空气侧的流动与传热特性。结果表明：单参数和双参数变化时POD降阶模型重构的温度场与FVM计算结果的偏差集中表现在正弦波翅片表面区域,且沿主流方向呈减小趋势,2种方法所得速度分布的差异主要集中在主流区域。随着变量参数个数的增多,POD降阶模型的计算精度及计算效率均有所降低。POD降阶模型重构的物理场与FVM结果间的平均相对偏差最大值为2.921%,平均计算速度比传统FVM计算速度最大提高了11752倍。     

粘弹性流体在偏心环空中非定常流动的流量数值计算

利用有限体积法（FVM）对双极坐标系下变系数二阶流体在内管做轴向往复运动的偏心环空中非定常流的控制方程进行了离散,其中时间积分方案采用全隐式,再利用交替方向隐式方法（ADIP）对离散方程组进行了数值求解;通过对视为变系数二阶流体的不同质量分数的聚丙烯酰胺（HPAM）水溶液在内管做轴向往复运动的偏心环空中的非定常流动实验,在相同条件下,在利用该方法数值求解上述控制方程后得到速度场的基础上,结合流量公式,将数值计算得到的流量与实测流量进行了比较,并将比较的吻合程度与其它方法得到的吻合程度进行了对比。结果表明：本文所给数值计算方法是正确的;利用本文方法数值计算得到的流量与实测流量的吻合程度比另外两种方法更好,且数值计算步骤较为简便、计算速度较快。     

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。     

板泡式换热器对流与导热耦合换热的数值模拟

由于在结构和强化传热方面的优越性,开孔泡沫金属在换热器行业中具有很大的应用潜力。为了探究板泡式换热器的强化传热机理,建立了泡沫金属微尺度几何模型,采用商业软件Fluent 12.1对板泡式换热器内流体流动进行了数值模拟,通过计算其速度、温度和压力分布,分析了换热器内对流与导热的耦合换热情况。研究结果表明:泡沫金属复杂的三维立体结构强化了流体的扰动,增强了二次流,起到了强化传热的作用;泡沫金属与流体分界面分别采用恒壁温和耦合换热2种边界条件时,其温度分布呈现不同特点,耦合换热边界条件更能真实反映实际温度分布情况;去除进口效应的影响,中间段流体的压力梯度随单胞模型呈周期性变化。这为板泡式换热器的设计提供了一定的依据和指导。     

临界热流的数值模拟

建立了以加热板为计算域的核沸腾瞬态数值模型,以沸腾表面局部换热为边界条件,对多种工质在不同压力条件下的控制方程、边界条件和计算过程进行了量纲1化处理,并考虑了由核心随机分布产生的气泡重叠效应.数值研究包括模拟整个核沸腾曲线和临界热流（CHF）.研究结果表明平均瞬态活化核心间距和气泡覆盖率可以作为沸腾到达CHF的判据.数值模拟的CHF与表面粗糙度无关,而与饱和压力有关,这与Kutateladze和Zuber等的关系式的结果相符合.     

不同热边界条件下板翅式换热器轴向导热对换热的影响

基于MATLAB编程,采用分布参数法构建了逆流板翅式换热器的二维计算模型,并与Claude循环氦液化器中多股流板翅式换热器的实验结果进行比较,数值结果和实验结果的吻合程度很好。研究了轴向导热对板翅式换热器换热能力的影响,发现考虑轴向导热的有效度相较于不考虑轴向导热降低了21.8%,且由于轴向导热将隔板冷端和热端的绝热边界条件施加的影响向换热器计算域内部传递,引发了换热器入口区域流体温度的畸变。而在隔板的冷端和热端分别采取定壁温或定热流的边界条件时,流体入口区域温度畸变几乎消失。在考虑轴向导热时,与隔板两端绝热边界条件相比,定壁温边界条件有效度增加35.8%（{\epsilon }_{\mathrm{c}}）和31.7%（{\epsilon }_{\mathrm{h}}）,定热流边界条件有效度增加22.8%（\epsilon）。     

网纹内管双套管双管板安全型换热器的传热性能

以网纹内管型双套管双管板安全型换热器为研究对象,采用内外管接触面积当量法,将网纹内管与外管内壁的接触面积当量成对应接触面积的直槽管;借助计算流体力学（CFD）软件采用数值模拟的方法对内管为当量的直槽管换热器传热性能进行了研究,换热器管壳两侧的介质均为水,分别将空气和水两种介质填充至隔绝腔内,模拟不同入口流量条件下传热特性;引入接触修正系数,在传统传热系数经验公式的基础上,结合网纹管模型特点,获得网纹内管安全型换热器传热系数计算公式,并对不同工况下换热器的传热系数进行理论计算;建立网纹内管安全型换热器传热特性评价实验台。结果表明：内外管接触面积当量法在处理网纹内管安全型换热器传热特性时具有可行性,基于接触修正系数的传热系数工程经验公式计算结果可靠;数值模拟结果、理论计算结果及实验结果具有较好的吻合趋势;隔绝腔介质分别为水及空气时,网纹内管的传热效率比内管为光管分别提高约24%和40%。     

螺旋隔板三维翅片管传热实验研究与数值模拟

文章对冷却水在换热器管程流动并与壳程的热油逆流换热条件下,对螺旋隔板三维翅片管换热器的传热与压降性能进行了实验研究,并与光滑管进行了对比。在相同壳程Reynolds数下,三维翅片管的壳程Nusselt数是光滑管的2.2—2.9倍,而压降是光滑管的2.3倍左右。采用计算流体力学软件F luent 6.0对螺旋隔板三维翅片管和光滑管换热器进行了数值模拟。结果表明,螺旋流条件下光滑管表面速度矢量均匀、稳定,而三维翅片表面的速度矢量因翅片激发流体而产生湍动和不规则的二次流,从而强化了流体的对流传热。对于螺旋隔板三维翅片管换热器,壳程Nusselt数和压降的数值模拟结果与实验计算值吻合良好,最大偏差分别为6.3%和9.8%。     

基于实验数据的湍流扩散POD模态分析

采用粒子成像测速（PIV）和激光诱导荧光（LIF）技术同时测量了水平通道中湍流扩散过程的流速和荧光剂浓度的瞬时分布,并利用实验数据,通过本征正交分解（POD）模态分析方法,实现了湍流条件下荧光剂扩散过程中浓度分布的数值重构。该方法应用于瞬时浓度分布的特征分析中,得到了瞬时分布的各阶模态,并分析各阶模态空间分布特征及其所含能量。结果表明,浓度分布在距离荧光剂入口较近的区域具有较强的周期性,且低阶POD模态能量占主导地位。应用POD分析得到的模态可以较准确地重构距离荧光剂入口较近区域的浓度分布的基本特征,相对误差主要集中于距离荧光剂入口较远的区域,表明本文提出的基于POD模态分析的湍流条件下浓度场的数值重构更适用于周期性较强的系统,为预测未知时刻的湍流扩散浓度分布提供了基础。     

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.     

逆流式微通道换热器设计与操作特性分析

采用一维对流-导热耦合模型对逆流式微通道换热器传热特性进行分析和模拟,考察了结构参数、操作条件和材质热导率对微换热器整体效率的影响.计算结果表明,由于器壁径向和轴向传热的相互影响, 与常规尺度换热器相比,微通道换热器的设计和操作特性有许多明显不同的特征.微通道换热器存在最佳操作流量值,该值可作为标准负荷流量,微换热器不宜在亚负荷状态下操作;操作流量越大,微通道换热器最大换热效率越低;微换热器结构采用大深宽比通道和适当的间壁厚度为佳.     

微通道内超临界氮气三维热流场实验与数值模拟

利用实验与数值模拟相结合的方法研究了超临界氮气（SCN₂）三维热流场特性,在用实验数据验证数值方法可靠性基础上,分析了压力（3.6~7 MPa）和质量流速［800~1200 kg/（m²?s）］对SCN₂对流传热特性的影响,揭示了微通道圆管不同圆周方向上SCN₂热流场规律。结果表明：在低压力和高质量流速下,同一轴向位置处,径向内壁温最大值出现在圆管90°处;质量流速越大,内壁温最大值和对流传热系数最小值由圆管180°向90°处发生了转移;当浮升力系数Gr*/Re²>1时,浮升力有利于强化圆管底部区域流体传热能力;基于获得的数据,提出了一个新的适合预测微通道圆管内SCN₂对流传热特性的无量纲换热关联式,预测误差小于20%。研究结果为微通道换热器优化设计提供了参考。     

非均匀热流边界条件下螺旋管内流动传热的场协同分析

建立了螺旋管内流动换热的物理数学模型,对均匀和非均匀热流边界条件下螺旋管内湍流传热进行了数值模拟。结果表明：当对螺旋管表面施加相同的加热功率时,均匀热流边界条件下湍流传热系数高于非均匀热流边界条件下的湍流传热系数,且均匀热流边界条件下螺旋管内的场协同角低于非均匀热流边界条件;非均匀热流边界条件时,在相同的De下,曲率较小的螺旋管传热系数大,且曲率较小的螺旋管内场协同角较小;同时,随着管径的增大,螺旋管内的传热系数也随之下降,但螺旋管内的场协同角随之增大。     

换热网络的热流均匀性因子

提出并建立了能够评价换热网络换热效能的热流均匀性因子,在两个条件下对该因子进行验证和分析。首先,在相同结构上保持换热器单元总面积之和不变的条件下模拟计算,考察热流均匀性因子与总换热量之间的对应关系,并与温差均匀性因子进行比较;其次,在改变换热网络结构的条件下优化计算,考察各优化结构的热流均匀性因子与总换热量之间的对应关系。通过两个具体的换热网络实例验证该因子,结果表明：热流均匀性因子越小则对应的换热网络总体换热效能越好。由此说明本研究建立的换热网络的热流均匀性因子能够从总体上反应换热网络的换热效能,能够作为其换热效能的一种新的评价指标,并能为换热网络的综合及优化提供新的思路。     

流化床换热器中液固两相流传热的数值模拟

在循环流化床换热器的流体中加入固体粒子,可以对边界层有扰动作用,加快换热器中的传质与传热,对流化床换热器中的液固两相的传质及传热进行数值模拟,建立了液-固两相流控制方程,通过FLUENT进行数值计算.计算结果表明:随着热通量的增加,流场的速度、湍流强度和壁温均升高.计算结果与试验结果一致.     

垂直上升管内超临界CO2 流动传热特性研究

在压力为7.5～21 MPa，热通量为50～413 kW·m^-2，质量流速为519～1500 kg·m^-2·s^-1的实验参数范围内，对超临界CO₂在内径为10.0 mm的垂直上升管内的流动传热特性进行了均匀加热条件实验研究。分析了热通量、压力和浮升力对圆管内传热特性的影响规律。实验结果表明：随着热通量的增加，传热出现恶化现象，并且随着热通量的增加壁温峰值点向入口段移动。传热恶化发生在流体温度小于拟临界温度而壁面温度大于拟临界温度附近。增大压力时由于物性的变化趋于平缓，传热恶化被抑制。当传热恶化发生时，浮升力对传热恶化有明显的影响。基于实验数据，综合考虑物性变化和浮升力对传热的影响，建立了新的超临界二氧化碳传热关联式，在实验工况范围内，预测值与实验值的平均偏差和标准差分别为1.2%和16.29%。