凸台形表面冲击冷却换热及熵增的数值模拟研究

采用冲击换热方式对燃气涡轮导向叶片端壁外侧腔体进行冷却,对于延长燃气涡轮的使用寿命和保障其安全运行十分有效。采用数值模拟方法,对燃气涡轮导向叶片端壁外侧腔体内凸台形表面的冲击冷却换热性能进行研究,并对冲击换热过程的熵增进行分析。研究表明：随着冲击气流雷诺数的增大,冲击靶面与冲击孔面上的平均努塞尔数增大;雷诺数一定时,增大冲击靶距,冲击靶面和冲击孔面平均努塞尔数减小,但冲击靶面上的被冷却范围增大,换热更加均匀;增大凸台上表面的宽度,冲击靶面上的被冷却范围相对减小,冲击靶面和冲击孔面的平均努塞尔数分别减小与增大;凸台上表面比其两侧的下表面换热更好;冲击冷却过程的熵增主要来源于因黏性耗散产生的熵产及换热产生的熵流,流动涡旋区的熵产是熵增的主要原因。研究结论可为优化凸台形冲击腔的结构参数及操作参数,提高其冲击换热效果提供依据和参考。     

三角形小翼纵向涡发生器的流动换热

探究了加装三角形小翼纵向涡发生器的H形翅片换热流动特性.模拟结果显示,随着来流速度的增加,回流区里的气流温度逐渐升高;随着雷诺数的增加,压力损失、努谢尔数增大,进出口温差、欧拉数、换热因子和综合性能都减小.随着攻角的增大,加装纵向涡发生器的单H形翅片的进出口温差、压力损失、努谢尔数、欧拉数和换热因子都增大,而综合性能先增大后减小.     

不同形状微针肋通道流动与换热性能影响研究

采用CFD模拟软件,结合实验研究,针对圆形、三角形和方形截面微针肋通道流动与换热进行了三维数值模拟分析.分别模拟了不同雷诺数Re下,三种形状肋片的绕流流场和肋阵温度场分布,并计算摩擦阻力系数f、努谢尔特数Nu等参数评价针肋微通道流动换热性能.结果表明,f随Re的增大而减小,且低Re下,三角形针肋的f最小.Nu随Re的增加而增大.三种形状中,圆形针肋的Nu数最大,换热效果最好.综合流动和换热特性评估,认为圆形针肋比方形和三角形针肋更优.通过实验对比发现,微尺度效应对模拟结果的影响有一定的误差,但是整体趋势与模拟结果一致.     

微细金属丝在空气中自然对流换热

为了研究微尺度圆柱表面的自然对流换热的机理,对水平放置在空气中的微细金属丝(外径为39.9~350.1μm)的自然对流换热进行了研究.数值模拟采用二维不可压模型,对浮升力项用Boussinesq假设进行处理,并使用SIMPLER算法进行求解,考虑了浮力、贴壁层厚度及边缘效应对微自然对流换热的影响.实验采用焦耳加热的方法获得了Nusselt数(Nu),并将数值模拟得到的结果分别与经典关联式、实验结果进行了比较,计算结果与实验结果吻合较好,验证了计算方法的可行性.研究结果表明:随着微细金属丝直径的减小,表面自然对流换热系数在增大,这可能是由于尺度的缩小,使得微细金属丝的边缘效应加强,贴壁层变薄,从而强化了换热;而Nu则先减小后增大,数值计算结果与理论计算值的差别也随着直径的减小而增大.     

螺旋管内幂律流体流动换热数值模拟

研究幂律流体在螺旋管内的流动换热特性可为石油开采工程中驱油剂的应用提供理论支持.文章通过建立流体流动换热模型,分析了幂律流体在螺旋管内的流动换热特性.结果表明:螺旋管沿程阻力系数和努塞尔数均随曲率值增加而增大.层流工况下,随着雷诺数的增大,沿程阻力系数减小,努塞尔数增大;湍流工况下,在雷诺数一定时,沿程阻力系数和努塞尔...     

有射流冲击的短扰流柱排内柱面的传热实验研究

对前缘上游有单排孔板射流冲击的涡轮叶片内扰流柱通道柱面进行了详细的传热实验研究 ,获得了不同实验条件下扰流柱表面的局部换热系数分布 ,结合流场测量结果分析了柱面换热规律。结果表明换热系数分布很大程度上受射流冲击的影响 ,在扰流柱前缘附近存在高强度换热区域 ,沿柱面随角度的增加努谢尔特数逐渐减小 ,角度 θ为 90°附近存在一片低强度换热区域 ,尾缘区换热强度最低。结果还表明尽管平均努谢尔特数随雷诺数的增大而显著增大 ,平均换热强化系数却随雷诺数的增加先增大而后逐渐减小。有射流冲击的柱面换热效果明显优于无射流冲击情况。     

放热流体在多孔渗流水平圆柱外的自然对流

针对等温加热的多孔渗流水平圆柱体浸没在放热流体中的层流自然对流传热问题采用摄动法进行分析.圆柱体的多孔渗流特性用圆柱壁面的法向速度进行表示.通过摄动法对自然对流传热的边界层方程进行近似分析,并利用龙格-库塔方法求得方程的数值解,得到自然对流的速度与温度场以及沿圆柱体壁面的努塞尔数分布.结果表明,在有壁面外法向速度时,圆柱体的局部换热受到抑制;然而壁面吸入或流体放热效应都对局部努塞尔数有增强效果.圆柱体的平均努塞尔数随着流体放热的增加或壁面内法向速度的减小而降低.在流体放热恒定时,壁面流出效应对整体换热的影响并不明显.     

壁面加热热流密度对微柱群内部换热特性的影响

采用实验与数值模拟相结合的方法研究去离子水在不同加热热流密度下流过叉排排列微柱群内部时工质热物性对对流换热的影响规律.实验中采用电加热棒对一体化微柱群散热元件进行加热,测得不同加热功率下微柱群内部努塞尔数(Nu);同时建立考虑粗糙度影响的三维数学模型模拟了该实验段在不同热流密度下的温度场与换热特性,并与实验结果进行了对比.研究发现:工质热物性随着温度变化对微柱群换热特性有着较为明显的影响,且数值模拟结果略高于实验值;对流换热系数均随加热热流密度增加而略有增大,且低雷诺数(Re)下该现象更为明显;定义了不同的影响因子来对各热物性参数的影响进行定量分析,发现动力黏度对微柱群内换热特性影响最大,影响因子接近10%.     

均匀壁面热流下太阳能腔式吸热器的自然对流数值模拟

在考虑变物性以及腔体固壁与流体间流固耦合的基础上,采用定热流的热边界条件和RNG k-ε紊流模型,对相同热流密度不同倾角以及相同倾角不同热流密度下的圆柱形腔式吸热器的腔体内的自然对流特性进行了三维数值模拟。结果表明:随着腔体壁面上的热流密度增加,内壁面上平均温度将升高,平均努塞尔特数增加;随着吸热器倾角的增大,平均努塞尔特数减小;随着离采光口距离的增大,腔体壁面温度近似呈线性规律升高,同一截面不同位置处的壁面温差减小,但减小的幅度不大。     

螺旋槽管管内强化传热的三维数值模拟

基于周期段模型,对不同结构参数的螺旋槽管管内流动和换热进行了三维数值模拟,得到了管内流体湍流流动的速度场和温度场的细观分布.结果表明,随着槽深增大,螺旋槽管换热性能增强的同时阻力系数也相应增大;随着螺距增大,其换热性能减弱且阻力系数明显减小.最后,结合模拟结果数据,拟合出了努赛尔数Nu和阻力系数f的相应关联式.     

丝排层流浮力尾流的相互影响机制

借助于Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ干涉仪，系统地研究了在不同几何、物理参数下丝排浮力尾流的相互影响机制，阐明了间距和热流密度对换热特性的影响。丝排自然对流换热的物理特征可分为两个区：小间距滞流区和强化区。     

大空间细长管排／单列线状热源温度与换热系数测定

建立了小直径管排（热线）自然对流换热实验台．通过实验研究了单列线热源（热丝）自然对流换热特性．研究表明,数学模型和实验结果吻合良好,理论模型可以成功地预测单列线热源自然对流换热．     

基于格子Boltzmann方法的倾斜方腔自然对流模拟

采用格子Boltzmann方法对二维封闭方腔自然对流换热进行研究. 通过数值模拟得到在不同Ra数和倾斜角θ下,封闭方腔内的流场、温度场的变化情况. 再根据流场、温度场分析Ra数、倾斜角θ对封闭方腔自然对流换热的影响. 结果表明,Ra数的增大会增强自然对流换热,而倾斜角的增加使得自然对流换热增减交替,当倾斜角为90°时,自然对流换热最弱.     

自然对流状态下横圆管圆周上管壁温度变化率

通过实验测试，研究了空气自然对流状态下横圆管被稳态加热时管壁温度圆周方向温度变化率．热管壁与周围冷空气圆周方向自然对流换热强度决定了管壁温度圆周方向温度变化率．文章揭示管壁温度圆周方向温度变化率的同时，对形成自然对流换热的热传导和热对流的复杂抽象过程作了分析和描述．     

Natural convection heat transfer of molten salt in a single energy storage tank

Heat transfer in molten salt in a cylinder tank is studied via simulation and experiment to obtain its natural convection heat transfer in a single energy storage tank. Simulation and experimental results show that the natural convection heat transfer of water in a cylinder tank fits well with Garon's correlation. However, significant deviations occur when Garon's correlation is used to predict the natural convection heat transfer of molten salt because of its high viscosity and low thermal conductivity. However, the simulated data of the natural convection heat transfer of molten salt fit well with those of the experimental results. Thus, a correlation that considers the effect of variable physical properties is proposed in this study to predict the natural convection heat transfer of molten salt. The deviation of the present data from the proposed correlation is less than ±20%. The results of this study can serve as a basis for the design of single energy storage tanks.     

泡沫铜/石蜡复合相变材料融化过程的换热特性

为了研究强化相变蓄热器的换热情况,搭建了矩形腔体内填充泡沫金属/石蜡的实验台,在恒壁温条件下,进行了泡沫金属/石蜡复合相变材料的融化蓄热实验。根据实验数据绘制了不同加热温度下石蜡内部温度随时间变化曲线,分析了腔体内自然对流对温度分布的影响、传热温差对蓄热时间的影响。结果表明,泡沫金属的高导热性能强化了石蜡在腔体内的融化过程,距离加热面较近的石蜡融化后产生的自然对流加速了剩余固态石蜡的融化;而且传热温差越大,自然对流越明显,蓄热时间越短。     

相变木塑围护结构热工性能实验与数值模拟

为对相变木塑围护结构的热工性能进行研究,以相变木塑复合构件为基础制成缩尺实验箱,对箱内温度实时监测,采用辐射蓄热、对流放热的方式对相变木塑复合构件的热工性能进行了测试,得出:相变木塑墙体比普通木塑墙体有更理想的室温调节能力,光照的不足对墙体蓄、放热能力影响很大,相变木塑墙体在阴天光照条件下相比于晴天温控能力大大降低.为对相变木塑围护结构的热工性能进行改善,建立相变传热物理模型及数学模型,利用MATLAB软件进行室内温度、相变内墙与室内空气对流换热量、相变内墙表面温度的数值模拟,得出:提高材料导热系数及增大墙体对流换热强度均能改善相变木塑墙体的热工特性,随着导热系数的增加,夜间室内平均温度由15.2℃升至15.7℃,同时对流换热量和内墙温度增加,但增加幅度十分有限,随着对流换热强度的增加,夜间室内平均温度由15.2℃升至16.3℃,同时夜间相变墙体表面对流换热量显著增加,增加幅度明显,所以提高对流换热强度更具热工性能的改善潜力.     

多孔介质方腔自然对流的直接数值模拟

为了研究多孔介质方腔的自然对流传热,通过在方腔内布置固体颗粒的方式来模拟多孔介质结构,并采用虚拟区域方法求解多孔介质中的流场和温度场,分析了固体颗粒的数目、布置方式和形状对传热效率的影响.在高Rayleigh数下,多孔介质方腔自然对流的传热主要是通过壁面附近热对流产生的环流.通过直接数值模拟研究发现：当保持Rayleigh数和固体体积分数不变时,随着模拟多孔介质的颗粒数目的增加,壁面平均Nusselt数随之减小,即传热效率降低,进一步的流场分析表明规则排列时最外排颗粒到壁面距离对于传热效率有重要的影响;当固体颗粒数目和体积分数相同时,颗粒随机布置在高Rayleigh数时比颗粒规则布置有更高的传热效率,而颗粒形状对于传热效率的影响则不大.     

不对称渐缩形竖通道自然对流换热的实验关联式

对一板均热流加热竖直放置,另一板绝热倾斜放置构成的不对称渐缩形竖通道内的空气自然对流换热进行了实验研究。实验结果采用不同的特征尺寸进行整理并比较。提出以通道最小宽度为特征宽度的整理方法和相应的换热准则方程式,并给出了无因次壁面温度分布曲线。