管内插入旋流片的流动和传热的数值模拟

为了获得较好的传热性能,提出一种在缩放管内间隔插入旋流片的复合强化传热方法。采用水为流动介质,在湍流状态下,通过数值模拟,详细研究了缩放管内插入旋流片的速度场与热流场的分布特性及其相互间的协同。对缩放管插入不同结构旋流片的热阻性能与缩放管和光滑管进行了比较,模拟结果表明,在相同条件下,传热系数和阻力系数最大分别提高25%,120%,120%,370%。缩放管与旋流片的复合使用能有效地改善速度场和温度场的协同程度,是提高换热性能的一个有效手段。     

旋流片强化传热的数值模拟和场协同分析

基于壳程周期性单元流道模型;采用数值模拟方法分析了一种新型的传热强化元件——旋流片作为管间支撑物的湍流流动与传热特性。数值模拟采用重整化（RNG）κ ε双方程湍流模型;SIMPLEC算法进行压力和速度的耦合;壁面处理采用强化壁面处理法。分析了单元流道横截面流场和湍流强度的周期性变化;以及截面上流场和温度场的协同关系。比较了截面平均Nusselt数和平均协同角的对应变化趋势。结果表明;旋流片使流体在管束间做三维螺旋运动;破坏了流体流动的连续性和稳定性;增强湍流强度从而强化传热;同时改变了管束间流体的速度场与温度场分布;旋流片强化传热的根本机理是改善了两场的协同关系。     

旋流片支撑缩放管管束传热与流动的数值模拟

通过数值模拟,以水为工质,研究了湍流时旋流片支撑缩放管管束管间的传热综合性能,并与无支撑光滑管管束、无支撑缩放管管束及旋流片支撑光滑管管束的传热性能进行了对比,分析了不同结构参数对其传热综合性能的影响;揭示了旋流片支撑缩放管管间流体速度场与温度场之间的协同性。结果表明:旋流片支撑急扩慢缩型缩放管管束相对急缩慢扩型具有更好的传热综合性能,且都比旋流片支撑光滑管管束的传热综合性能好,但二者都没有对应的无支撑缩放管管束综合性能好;具有小角度跟大扭率结构的旋流片更有利于旋流片支撑管束传热综合性能的提高;相对旋流片支撑光滑管管束与无支撑缩放管管束,旋流片支撑缩放管管束强化传热的原因在于传热场协同的增强作用更为明显。考虑管间支撑物支撑管束与抗振的必要性,旋流片支撑缩放管管束是一种高效的壳程强化传热措施,文中条件下通过优化,最大传热综合性能能达到1.057。     

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。     

换热管内插螺旋强化传热的数值模拟

换热管内插入钢丝螺旋改变了管内的流动状态。通过数值模拟,研究内插螺旋换热管内速度场与温度场的分布特性,对空管和内插螺旋换热管进行了比较。模拟结果表明,在相同条件下,内插螺旋能够有效地改善换热管内速度场和温度场,验证了管内插螺旋是提高换热性能的有效手段。     

内置螺旋弹簧换热管内流动与传热三维数值模拟

为研究内置螺旋弹簧换热管单管强化传热原理,采用Fluent软件对内置螺旋弹簧换热管内流体流动与传热特性进行数值模拟,考察了弹簧的应用对管内流场、压降和换热性能的影响,并分别取螺旋弹簧节距p分别为2 mm、4 mm、5 mm初步研究了弹簧的节距对强化传热效果的影响。模拟结果显示：弹簧管内流体呈螺旋流动状态,管壁附近流体切向速度和径向速度有一定程度的提高,从而加剧了管内流体的混合及边界层的扰动,充分换热,弹簧管进出口温度差较光管有所增加,最高增加了0.9 ℃;相同雷诺数条件下,内置螺旋弹簧换热管Nu数均高于光管,而压降和阻力系数相比光管有明显增加,随着弹簧节距减小换热增强而摩擦阻力系数增加。     

内置转子换热管旋流部分的数值模拟

研究了介质为60%甘油时内置螺旋两叶片转子换热管的传热及阻力特性,通过实验研究和数值模拟,得到了介质为高黏度流体时强化传热的模拟方法。同时,分析了单个洁能芯转子在强化管内的旋流长度,并对比分析了转子间隔对强化管传热及阻力特性的影响。模拟结果表明,在换热管长度相同的前提下,转子无间隔排列强化管的努塞尔数（Nu）是转子间隔排列时的1.073～1.078倍;但是前者的阻力系数（f）则比后者的阻力系数高出61.76%～62.01%,因而在强化传热综合性能方面,前者的综合性能优于后者,由此推断,转子的间隔排列方式有利于提高强化管的强化传热综合性能。     

同轴射流旋流燃烧室内湍流流动的数值模拟

应用完整形式的改进代数Reynolds应力模型对旋流燃烧室内两股同轴旋转射流的湍流流动进行了数值模拟 .模拟得到的结果与实验测量数据以及k -ε模型和简化形式的改进代数应力模型的模拟结果进行的对比表明 ,改进的代数应力模型可以给出比k -ε模型和简化形式的改进代数应力模型更为合理的湍流旋流流场模拟结果 .     

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。     

内插自振弹簧换热管流动与传热特性的数值模拟

对9种不同几何参数的内插自振弹簧换热管和光管的换热及其阻力特性进行了数值模拟。结果表明,内插自振弹簧换热管的存在增加了对流体流动的扰动,破坏了管内侧的层流层,起到了扰流的作用,提高了换热管的换热能力。内插自振弹簧换热管比光管的强化传热综合性能Nu/ξ1/3提高了1.03～3.21倍。内插自振弹簧换热管强化传热综合性能均优于光管。     

高压电场强化空气对流传热实验及其数值模拟

以空气为实验介质,对水平光管、横纹管、缩放管和螺旋槽管的强制对流传热进行了高压电场强化实验,研究了高压电场强化传热的一些基本规律。实验验证了当外加高压大于15 kV后,对强制对流传热有较好的综合传热效果,最大强化率达2.8,而阻力系数的增大倍数在1.5—1.9。并对横纹管进行了数值模拟,从场协同的角度研究了速度场与温度场夹角对传热膜系数的影响。结果表明,速度、温度梯度的大小,及两者夹角的余弦值均会影响传热效果,在三者的值都是最大的位置,其传热膜系数也最大。     

四叶片组合静态混合器湍流传热性能的数值模拟分析

采用Fluent计算软件对四叶片组合静态混合器内湍流换热进行数值模拟并与SK型静态混合器进行对比,结果表明,在104≤Re≤105范围内,前者的传热效率比后者提高约20%. 运用场协同理论对结果进行了分析,新型静态混合器传热效率较高的主要原因为,在一个截面上有4个旋向与叶片旋向相同、旋涡半径近似等于叶片半径的纵向涡及4个旋向与叶片旋向相反、旋涡半径小于叶片半径的纵向涡,这些纵向涡能强化换热;与SK型静态混合器相比,新型静态混合器管内温度梯度基本相同,管内中心区二次流流速一定程度降低,而近壁区二次流流速差别较小,但速度场与热流场的协同程度得到明显改善.     

基于管内微层蒸发传热机理的热管换热器传热强化研究

基于微层蒸发强化传热理论,对热虹吸管内部设置分流管结构强化沸腾传热机理进行了分析,建立了分流管强化热虹吸管内部沸腾传热模型,并通过大量试验研究验证了理论分析的正确性;同时对热管换热器能量控制方程采用有限差分法进行了数值模拟计算,计算结果与试验结果吻合良好,不仅证明强化传热理论分析与计算方法的正确性,而且表明热管内部强化传热有利于提高热管换热器传热能力、改善热管换热器传热性能及优化热管换热器结构,为工程应用提供依据。     

永磁梯度磁场布置方式对空气自然对流换热的影响

梯度磁场可用于控制非导电弱磁性介质的自然对流换热过程。利用钕-铁-硼永磁系统的不同空间布置,构建了具有不同磁场强度分布的梯度磁场,通过数值模拟得到了不同永磁梯度磁场的磁场强度和磁加速度。对不同梯度磁场作用下的二维封闭腔内的空气自然对流换热过程进行了数值研究,获得了空气自然对流的流场和温度场,以及壁面局部Nusselt数和平均Nusselt数并进行了比较。结果表明：空气自然对流换热可以通过施加具有不同磁加速度的梯度磁场得到强化或控制。     

变扭率扭旋叶片强化传热特性

为探究扭旋叶片的结构参数--扭率变化率Tv对管道换热的影响,以水为介质,在Tv=-5~5范围内,采用实验和数值模拟方法研究了恒壁温条件下流体的传热和阻力特性,并分析了综合传热性能及强化传热机理。结果表明,沿流动方向Tv>0的扭旋叶片安装方式强化传热效果优于Tv=0,研究范围内Tv=2.5时综合强化传热比最高,相对Tv=0平均提高5.0%。而Tv<0时强化传热效果劣于Tv=0,应避免此种叶片安装方式。扭率的变化影响了流场结构,当Tv>0时,在近1/2流动区域内绕流旋涡的涡量和影响区域明显增加,同时,在绕流旋涡流动区域,压力、速度和温度的三场协同程度得到提高,进而强化了换热管道的传热效果。     

螺旋槽管内流体传热性能数值研究

研究了螺旋槽管内径Di、螺距P、槽深e等各因素对管内流体传热性能的影响,用数值模拟法进行传热系数数值计算,并与相同材质、相同直径和壁厚的光管同步对比。对计算结果进行线性回归处理,确立Nu与Re的关联式。结果表明,螺旋槽管具有较好的传热强化作用,在同等Re工况下,其传热系数较光管提高10%～60%。     

扭曲三叶管传热与流阻性能的数值研究

扭曲管换热器是一种新型高效换热器。在扭曲管强化传热机理研究的基础上,提出了一种新的扭曲管管型--三叶管。验证了标准k-ω湍流模型在圆管及扭曲椭圆管计算中的精确度,并采用该湍流模型对扭曲三叶管Re在4000～20000范围内的传热和流阻性能进行了研究。计算结果表明,扭曲三叶管的Nusselt数比扭曲椭圆管大,虽然压差增大较多但综合传热性能比扭曲椭圆管高。这是由于扭曲三叶管特殊的三叶区结构以及过渡区曲率的变化,使得三叶管内的螺旋流动比椭圆管更为复杂,速度场与温度梯度场的协同程度更好。随着Reynolds数的增大扭曲三叶管的压差及Nusselt数都逐渐增大,但综合性能逐渐降低,在低Reynolds数下扭曲三叶管的强化传热效果较为明显。内切圆直径及过渡圆弧直径越小,扭曲三叶管的综合性能越好,其中内切圆直径的影响更为显著。     

扭曲扁管管内流动与传热的三维数值研究

利用计算流体力学和数值传热学的方法,对扭曲扁管三维模型的流动与传热性能进行了数值模拟计算和理论分析,研究了管内流体的Re,Pr以及管子几何尺寸对其流动与传热性能的影响,结果表明,扭曲扁管具有较好的强化传热效果,在管内流体具有高Pr低Re数的条件下,其强化传热效果尤为明显。根据数值计算的结果数据,拟合出了努塞德数和阻力系数的准则公式,对扭曲扁管工程实际应用具有一定的参考价值。