水平管油气两相段塞流及其传热特性

海底油气管道的冷却传热过程是结蜡、水合物等海洋石油工业流动保障问题的关键控制因素。采用电容探针与热电偶、热电阻等流动及温度测量手段对不同冷却条件下空气-油段塞流的流动参数和传热参数进行实验测量,分析了空气-油段塞流流动参数对传热特性的影响,并与空气-水对流换热进行对比。结果表明,空气-油段塞流对流传热系数主要受液相折算速度的影响,且冷却液温度越低,管底热流体黏度越大,导致热边界层越厚,传热系数降低;受黏性力及边界层影响,对流传热系数远小于空气-水;沿管壁周向,从管顶到管底的对流传热系数不断增大。提出了适用于冷却条件下的油气段塞流传热关联式和传热模型。     

润滑油对超临界二氧化碳对流换热特性的影响

为了得到加热条件下润滑油对超临界二氧化碳换热特性的影响,利用Fluent软件建立CO_2/润滑油两相混合物流动传热模型,通过改变润滑油浓度、质量通量、热通量和压力进行换热特性分析。结果表明,润滑油的存在显著削弱超临界二氧化碳的对流换热过程,随着润滑油浓度的增加,对流换热进一步恶化。当油浓度小于1%时,不影响对流传热系数的变化趋势,当油浓度超过3%,温度高于二氧化碳拟临界温度时,传热恶化程度降低。热通量的增加使得对流换热进一步恶化,提高质量通量能有效改善对流换热恶化现象。二氧化碳在润滑油中的溶解度直接影响对流换热过程,提高运行压力可增加二氧化碳在润滑油中的溶解度以降低高润滑油浓度下的传热恶化程度。     

润滑油对超临界二氧化碳对流换热特性的影响

为了得到加热条件下润滑油对超临界二氧化碳换热特性的影响,利用Fluent软件建立CO₂/润滑油两相混合物流动传热模型,通过改变润滑油浓度、质量通量、热通量和压力进行换热特性分析。结果表明,润滑油的存在显著削弱超临界二氧化碳的对流换热过程,随着润滑油浓度的增加,对流换热进一步恶化。当油浓度小于1%时,不影响对流传热系数的变化趋势,当油浓度超过3%,温度高于二氧化碳拟临界温度时,传热恶化程度降低。热通量的增加使得对流换热进一步恶化,提高质量通量能有效改善对流换热恶化现象。二氧化碳在润滑油中的溶解度直接影响对流换热过程,提高运行压力可增加二氧化碳在润滑油中的溶解度以降低高润滑油浓度下的传热恶化程度。     

喷气冷却转炉炉壳表面的温度场模拟计算和效果分析

分析了转炉炉壳喷气冷却结构布置特点,建立了描述转炉炉壳喷气冷却热交换的控制方程和边界条件,利用FLUENT软件进行流动-传热耦合数值模拟求解.结果表明,在各空气喷射冷却条件下,喷射冷却模块内气体流动状态和炉壳表面温度分布相似;随着喷射空气流量增加,喷流速度增大,对流换冷却使炉壳表面温度降低效果明显:当喷射空气流量增加到一定程度后再继续增加,喷射流冲击强烈的上部区域温度可以持续降低,但对表面下部温度的降低变得不明显;在适宜喷流供气参数条件下,炉壳表面上、下最大温差的最小值约为180℃.     

气淬高温熔渣颗粒运动和换热特性的数值分析

建立了高炉渣颗粒运动与换热过程的数学模型,利用FORTRAN语言编写程序,通过四阶Runge?Kutta方法求解其动力学和传热方程,计算时充分考虑熔渣与冷却空气主要热物性参数随温度的变化,采用温度回升法计算熔渣凝固过程释放的潜热,提出在气淬空气中添加喷雾强化熔渣冷却,考察了渣粒尺寸对换热过程的影响。结果表明,飞行过程中渣粒速度受气淬空气影响先增大后减小;温度降低趋势随运动距离增加而减小,主要受对流换热系数影响,凝固过程持续时间较短;喷雾使渣粒在飞行过程中整体冷却速率明显升高,最终温度明显降低,而对熔渣的运动影响较小;相同初始工况下,熔渣粒径越小,运动越易受流场影响,渣粒整体冷却速率较高,换热效果越好。     

焦化炉管外壁温度与炉管结焦厚度对应关系的研究

基于传热边界层理论,借助于前期开发的过程模拟技术及炉管管焦导热系数测定值,给出了不同对流传热系数及炉管表面热强度分布下炉管外壁温度与结焦厚度之间的对应关系。     

水合物浆体在水平细管中的流动相变换热

实验测量了质量分数为0~19.2%的TBAB水合物浆体在恒热流条件下在小管径内流动时的流动传热特性。利用数值计算获得管内浆体的沿程温度分布,在此基础上得到水合物浆体在小管径内的强制对流传热特性。结果表明加热功率对小管径管道中的浆体传热特性有较大影响;在层流状态下,流速对传热系数的影响相比紊流时要小。在实验数据基础上总结出了TBAB水合物浆体在小管径管内的对流换热经验关联式。     

水合物浆体在水平细管中的流动相变换热

实验测量了质量分数为0~19.2%的TBAB水合物浆体在恒热流条件下在小管径内流动时的流动传热特性。利用数值计算获得管内浆体的沿程温度分布,在此基础上得到水合物浆体在小管径内的强制对流传热特性。结果表明加热功率对小管径管道中的浆体传热特性有较大影响;在层流状态下,流速对传热系数的影响相比紊流时要小。在实验数据基础上总结出了TBAB水合物浆体在小管径管内的对流换热经验关联式。     

薄膜蒸发器温度场及膜内给热系数的数值模拟

应用CFD软件CFX4.4建立了薄膜蒸发器内水及粘性料液的传热计算模型,获得了沿轴向及膜厚方向的液膜平均温度分布,计算了各参数下加热段液膜内给热系数a. 结果表明,进料量及搅拌转速对各料液液膜温度分布及膜内给热系数影响显著. 不同粘度料液在不同操作条件下均存在同一最佳进料量,此时圈形波内截面平均速度 达到最大值, 相应的膜内给热系数a也达到最大值. 高转速或最佳进料量下,纯物质水流动边界层与膜厚之比及温度边界层与膜厚之比均最小,流动边界层与温度边界层存在内在联系. 传递边界层厚度严重影响液膜内温度分布及给热系数. 本研究各工况下,粘性料液尚未形成明显的温度边界层.     

含不凝气体蒸汽泡直接接触冷凝

通过可视化实验研究了含空气蒸汽泡的冷凝行为和传热特性,气泡中蒸汽质量含量在0.5～0.8之间.在两种不同的过冷水温度下,混合气体气泡分别由直径1.5 mm和3 mm的喷嘴以不同的速度喷入静止的过冷水空间中.通过高速摄像机记录气泡冷凝过程,通过气泡体积变化状况计算气泡热力学参数,进而计算气泡的冷凝传热系数.结果表明,气泡在冷凝过程中不断变形,且在冷凝开始时,气泡出现中空现象;冷水温度越低,冷凝传热系数越低;气泡体积越大,冷凝传热系数越低;喷嘴直径对冷凝传热影响不明显;不凝气体的加入恶化了冷凝传热.对实验中65个气泡传热系数的数值进行了拟合,获得了传热系数关联式.     

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。     

夹套式上升管内荒煤气对流辐射传热的计算

通过理论推导和数值计算,分析了荒煤气在上升管内流动的对流传热和辐射传热问题。基于热平衡方程推导得到上升管内荒煤气流动传热微分方程,考察荒煤气进口温度、内壁面发射率、对流传热系数和斯坦顿数对上升管内壁面温度变化和荒煤气出口温度的影响。采用Matlab软件编制四阶Runge-Kutta计算程序求解,得出上升管内壁温度沿轴线方向的变化曲线和荒煤气的平均传热系数,荒煤气在夹套式上升管中的平均传热系数为30 W/(m^2·K)~36 W/(m^2·K),将此计算结果与他人的成果进行对比,吻合较好,误差为10%左右。结果表明:辐射传热过程主要受内壁面发射率和荒煤气进口温度的影响,内壁面发射率越大,辐射传热量越大;流体速度对对流传热的影响很大,随着流速的增加,对流传热量增大;焦炉在一个炼焦周期内,应该合理控制荒煤气的流量,可避免上升管内壁焦油的凝结;在设计上升管时,增大内壁面的发射率,可以提高上升管的传热效率。     

利用温度敏感型水凝胶进行仿生发汗冷却

温度敏感型水凝胶能够在较低临界溶解温度附近发生体积相变,吸收或释放出大量水分。利用这一特性,可以对过热物体实现仿生发汗冷却。通过光学干涉方法,测量了水凝胶发汗冷却时的温度、湿度分布和散热特性,验证了其仿生散热数值模型;并利用该模型进一步研究了不同环境温度、环境湿度和相变释水温度对水凝胶散热能力的影响。结果表明,水凝胶发汗冷却的传热系数为经典被动散热方法（自然对流与热辐射）的15～25倍,能迅速降低试件表面温度。随着环境温度、相变释水温度的提高,传热系数进一步显著提高;随着环境湿度的提高,传热系数略有下降。由于无需风扇就能获得巨大散热能力, 水凝胶仿生散热技术对于手机等微电子设备的散热具有重要意义。     

超疏水表面有滑移时的层流换热分析

在考虑速度滑移的前提下,对于圆管形微通道内温度边界层充分发展的恒热流量对流传热,推导了速度和温度分布表达式,并进一步得到对流传热系数和Nusselt数计算式。此外,还针对超疏水表面不同结构参数下的滞留空气层,提出了超疏水表面的有效导热模型,推导出超疏水表面不同结构参数下的热阻。最后将传热系数与超疏水表面热阻进行耦合,得出超疏水表面有效传热系数及其与超疏水表面结构参数的关系。计算结果表明:超疏水表面上流体的滑移使得管内温度更加均匀,传热系数或Nusselt数有所增加,恒热流条件下最多可以增加1.8倍;超疏水表面热阻随肋间距和肋高的增加而增大;超疏水表面的表观传热系数随肋间距或孔宽的增加而显著降低,随肋高或孔深的增加,表观传热系数也降低,其幅度与肋间距以及肋高与肋间距之比有关;各种结构参数条件下均存在表面滞留空气层的临界厚度,在此厚度以下表面有效传热系数不低于普通表面无滑移时的数值。因此,需要综合考虑超疏水表面的结构参数,包括肋高、肋间隙等,才能使超疏水表面有利于传热。     

石蜡乳状液高温潜热输送材料的传热特性

石蜡乳状液高温潜热输送材料是一种在80～90℃之间存在相变的流体。由于相变潜热的存在,石蜡乳状液在相变区间内的储热、载热密度远大于水,且集储热与潜热输送于一体,适用于余热利用、太阳能利用和集中供热等领域,具有广阔的应用前景。研究了定热流条件下石蜡乳状液在管内的强制对流换热特性。结果表明,与纯水相比,虽然石蜡乳状液的有效比热大,但其对流传热系数低,且浓度越高,对流传热系数越低。实验发现入口温度对石蜡乳状液对流传热系数的影响不大,但随着入口温度升高,对流传热系数有增大的趋势。最后获得了石蜡乳状液对流换热量纲1关系式。     

紧凑通道内CO_2/润滑油混合物沸腾换热特性研究

为了测试润滑油对二氧化碳流动沸腾换热特性的影响,对外径6 mm、内径4 mm紧凑通道内的CO_2/润滑油混合物的换热进行实验研究。实验工况为质量流量2.74～5.61 kg·h~(-1),饱和温度-4～8℃,热通量3.2～5kW·m~(-2),油浓度0～6%。结果表明:润滑油浓度越大,CO_2的局部传热系数越小;含1.5%油浓度相对于无油工况下平均传热系数下降了约42.4%;传热系数随热通量、饱和温度的升高而增加,干涸后随着质量流量的增加传热系数增加;干涸随油浓度的增加、热通量的减小、饱和温度的升高、质量流量的增加而延迟;干涸特性对传热系数有显著影响,干涸阶段占整个换热过程的35.4%。     

表面温度测量方式对喷雾冷却表面传热特性的影响

喷雾冷却在工业过程中应用广泛,制冷剂喷雾是激光皮肤手术中实施表皮冷保护的必要手段。为提高冷却效率,需要通过表面温度的测量反推表面传热特性。为探索不同表面温度测量方式对实验结果的影响,搭建了瞬态喷雾冷却实验台,分别使用磁控溅射薄膜热电偶(TFTC)、丝状热电偶(FTC)和片状热电偶(STC)研究了R404A制冷剂喷雾环氧树脂表面传热特性的差异。实验结果表明,磁控溅射薄膜热电偶(TFTC)热响应性能最佳,能准确及时地反映表面温度的瞬态变化且可与热通量变化准确对应。丝状热电偶(FTC)和片状热电偶(STC)属于间接测温,温度变化存在明显滞后,影响热通量、对流传热系数等表面传热特性的精确分析。薄膜溅射热电偶测温是准确研究瞬态喷雾冷却表面传热过程的可靠手段,可为临床治疗提供理论指导。     

多孔泡沫金属中等温竖壁面空气自然对流传热的积分解

应用边界层理论和局部热平衡传热模型,建立控制方程组,理论分析了多孔泡沫金属中等温竖壁面空气自然对流的传热特性。采用数量级分析法简化控制方程组,再进行积分求解。结果表明：多孔泡沫金属对自然对流具有强烈的扰动作用,使边界层发展很快,其厚度远大于光壁面时的边界层厚度,在等温竖壁面条件下本文所选的参数范围内(孔隙率0.9～0.95,孔密度5～40PPI),孔隙率越大、PPI越大,边界层也越厚;空气流速很快达到最大值,且此后的速度峰值几乎维持不变;自然对流传热的强化效果非常明显,相比光壁面,加入孔隙率0.9、孔密度5 PPI的多孔泡沫铝后其强化倍数达9以上,但孔隙率、孔密度增大时,流体边界层厚度增长过快,会使得传热恶化。     

环形小通道内水单相换热特性的实验研究

采用自行设计的环形小通道换热装置,对双面加热环形小通道内单相水处于流动充分发展下的对流换热特性进行了实验研究,通过热电偶、流量计测量内外壁面温度、水温和水流量,分析单相水处于不同热流密度下内外壁面热流密度、流量与对流传热系数之间的关系特性,结果表明:通道内外壁单独加热时的壁面对流传热系数均随加热热流密度的增大而增大,当加热热流密度一定时,内壁面对流传热系数随流量的增大而增大,外壁面对流传热系数随流量的增大变化不明显;内外壁同时加热时,随着内、外壁加热热流密度比的增大,内壁面的对流传热系数先减小后增大,而外壁面的对流传热系数一直增大。     

表面温度测量方式对喷雾冷却表面传热特性的影响

喷雾冷却在工业过程中应用广泛,制冷剂喷雾是激光皮肤手术中实施表皮冷保护的必要手段。为提高冷却效率,需要通过表面温度的测量反推表面传热特性。为探索不同表面温度测量方式对实验结果的影响,搭建了瞬态喷雾冷却实验台,分别使用磁控溅射薄膜热电偶（TFTC）、丝状热电偶（FTC）和片状热电偶（STC）研究了R404A制冷剂喷雾环氧树脂表面传热特性的差异。实验结果表明,磁控溅射薄膜热电偶（TFTC）热响应性能最佳,能准确及时地反映表面温度的瞬态变化且可与热通量变化准确对应。丝状热电偶（FTC）和片状热电偶（STC）属于间接测温,温度变化存在明显滞后,影响热通量、对流传热系数等表面传热特性的精确分析。薄膜溅射热电偶测温是准确研究瞬态喷雾冷却表面传热过程的可靠手段,可为临床治疗提供理论指导。