缩放管内湍流对流换热(Ⅰ)场协同控制机理

通过对缩放管管内湍流对流换热的模拟研究,考察了热边界层厚度、湍流强度及时均速度与时均温度梯度之间夹角的变化规律,得出了影响对流换热强度的场协同作用沿流动方向的分布规律.通过讨论两种不同结构尺寸缩放管的换热情况,发现流体在收缩段可获得较好的场协同作用,增强换热能力,而在扩张段场协同作用的效果减弱.     

三角形布管方式下2种换热器的场协同分析

基于采用周期性全截面计算模型得到的帘式折流片换热器和折流板换热器壳程流体流动和传热数值计算结果,应用场协同原理对二者传热性能进行了分析。分析了帘式折流片换热器在壳程不同位置处的速度和湍流度,以及场协同角和对流传热系数,并与折流板换热器相同位置处的情况进行了对比。由于折流板壳程流体为横向流动,而帘式折流片壳程总体上是纵向流动,故折流板换热器的平均流速和湍动度稍高于帘式折流片换热器,平均流速为帘式折流片换热器的1.15倍,其湍动程度为帘式折流片换热器的1.4倍;折流板换热器2条验证线上的场协同角的平均值均小于帘式折流片换热器。研究结果为管壳式换热器结构改进和性能提升提供了参考依据,同时帘式折流片换热器的这种结构特点对于节能降耗的研究也具有重要意义。     

气流横向冲刷管束湍流换热的场协同分析

推导出了气流横向冲刷管束湍流换热时的传热Nu数与场参数的关系表达式,用数值模拟的方法对湍流时场协同原理进行了分析与验证。结果表明,换热随管排方式和管间距的改变而有所不同,是因为速度场与热流场的协同作用的不同,速度场与热流场的协同性好,则传热性能好。场协同原理同样适合于气流横向冲刷管束湍流流动与换热。对湍流换热时场协同作用特点进行了分析,指出湍流时速度场与热流场的协同作用对换热的影响主要表现在粘性底层以外的壁面附近。     

横纹槽管管外强化传热数值模拟与场协同分析

利用FLUENT软件对横纹槽管和光管水平管外的对流传热进行了数值模拟,并比较两种管的换热特性。结果表明,在相同条件下,横纹槽管外侧换热系数是光管的1.2～1.5倍,且随着Re的增加,倍数值逐渐减小。最后应用场协同理论,从局部换热角度分析其强化机理。分析结果说明横纹槽管外侧换热得到强化的原因是协同程度随其周围的速度场与温度场之间夹角的变化而改变。     

污垢对管内层流对流换热场协同影响的数值研究

利用数值分析的方法,研究了污垢对管内层流对流换热速度场、温度场及它们之间协同度的影响。结果表明,在流速不变的情况下,污垢层厚度增加,管壁的对流换热系数增大,流场和温度场的协同性增强,但总传热效果变差。     

管壳式换热器壳侧湍流流动与换热的三维数值模拟

综合应用体积多孔度、表面渗透度和分布阻力方法建立了适用于准连续介质的N-S修正控制方程.用改进的k-ε模型考虑管束对湍流的产生和耗散的影响,用壁面函数法处理壳壁和折流板的壁面效应, 对一管壳式换热器的壳侧湍流流动与换热进行了三维数值模拟.对计算结果进行了归纳,并与换热器冷态实验、前人的研究结果进行了对比分析,从而证明了该方法能更有效地模拟管壳式换热器壳侧的流动特性,压降实验数据和计算结果符合良好.     

基于场协同理论的板式换热器性能优化数值研究

建立了与实物尺寸相同的人字形板式换热器冷热双流道模型,运用数值模拟方法和三场协同原理,对板式换热器单边流动和对角流动时的流动与换热特性进行了分析。结果表明:在相同的流速下,单边流动的速度场和温度场的协同性及速度场和压力场的协同性较好,改善了流道内各场的协同关系,因而单边流动换热效果要优于对角流动,且压降低于对角流动。     

气体涡旋燃烧器三维湍流场的数值模拟

以气体湍流运动的微分方程组及 ｋε湍流模型为基础,采用 Ｓ Ｉ Ｍ Ｐ Ｌ Ｅ 算法数值模拟研究了气体涡旋燃烧器中的三维旋转湍流场。旋转方向的迭代采用了 Ｃ Ｔ Ｄ Ｍ Ａ 方法,计算收敛速度明显加快。预测结果与日本古火田朋彦的 Ｌ Ｄ Ｖ 冷模实测值吻合较好。     

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 .     

扭曲椭圆管换热器的数值模拟及场协同分析

为了分析换热管几何参数对扭曲椭圆管换热器管程和壳程的传热与压降性能以及场协同关系的影响,今运用Fluent 6.3.26对不同几何参数的扭曲椭圆管换热器的管内和管外对流传热进行了数值模拟,并编写UDF程序计算温度场与速度场的夹角,即场协同角。结果表明:Realizable k-ε模型相对更好地模拟出扭曲椭圆管换热器管内和管外的流场和温度场,努赛尔数Nu以及摩擦系数f与实验结果的差别都在5%以内。在扭曲椭圆管换热器的管程和壳程,Nu和f都随着扭曲椭圆管长短轴比的增大而增大,随着扭矩的减小而增大。基于场协同理论分析,协同角随Re的变化不大,但不同几何参数的扭曲椭圆管管内和管外的协同角都存在差异,二次流的出现优化了速度场以及温度场分布,减小了速度场以及温度梯度场之间的夹角,实现强化传热。     

射流式涡发生器强化矩形螺旋通道内流体换热机理

提出利用射流式涡流发生器(JVG)强化螺旋通道内流体的换热。采用三维激光多普勒测速仪(LDV)测量了曲率为0.134并安装了JVG的矩形截面螺旋通道内流体的流动特性;实验结果与数值模拟结果吻合较好。获得了安装JVG的螺旋通道内复合二次涡旋的演变规律以及射流在螺旋通道内的衰减过程。结果表明;射流的冲击和卷吸作用改变了单一螺旋通道内背离壁面 (common-flow-up; CFU) 结构的离心二次涡旋;在射流的起始段形成了一对冲向壁面(common-flow-down; CFD)结构的二次涡旋。随着流动的发展;CFD涡旋经历了快速形成、缓慢分解并逐渐耗散的过程。射流速比ε _j在1.48~4.02范围内时;射流在螺旋通道内沿主流方向的作用距离可达40d _h~74d _h（d _h为螺旋通道当量直径）。射流提高了通道换热壁面附近处速度场与温度场的协同性;实现了换热强化。研究范围内;换热壁面平均Nusselt数的最大值相对于单一螺旋通道提高了28%~248%。     

螺旋套管换热器壳程流体湍流换热热力性能数值研究

利用计算流体力学软件对内管为螺纹管的螺旋套管换热器壳程流体的湍流流动和换热性能进行了数值模拟。通过与内管为光管的研究结果对比,揭示了内管为螺纹管时壳程流体的速度场和温度场分布,研究了雷诺数、槽高对壳程流体湍流流动及换热性能的影响,并利用场协同原理初步揭示了螺纹复合螺旋流动强化流体换热的机理。结果表明,螺纹内管的螺纹凸起对螺旋套管换热器壳程流体的扰流和导流作用明显,在研究范围内(Re=10000～24000),内管为螺纹管的螺旋套管换热器壳程流体的传热效率较内管为光管的模型最大提高了22.1%;结构参数相同时,随着Re增大,螺旋套管换热器壳程流体的Nu逐渐增大,阻力系数f逐渐减小,综合评价因子Ψ逐渐减小,在研究范围内,Nu最大增加了85.6,f最大减少了0.008,Ψ从1.35减小至1.18。当Re一定时,当量高度h’增大,f逐渐增大,Nu先增大后减小。由场协同原理分析得出,h’=0.220时,在螺纹凸起扰流和导流的作用下壳程流体的温度场与速度场协同性能较好,综合评价因子Ψ最大,螺纹的优化当量高度h’宜取约0.220。     

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。     

考虑物性变化及壳体传热的新型板壳式换热器板程流动传热数值模拟

板壳式换热器以优越的换热性能和耐温耐压性在化工生产等领域有着广阔的应用前景。本文采用可实现湍流模型结合增强壁面函数,对一种新型板壳式换热器板程流动与传热特性进行数值模拟研究,讨论了介质物性变化及壳体传热的影响,并与已有实验进行验证。重点分析了不同波纹高度在不同入口流速下的流动传热特性,基于场协同理论揭示了速度场与温度场及压强场协同分布规律。结果表明：流动传热计算不能忽略流体介质物性变化及壳体传热的影响;增大波纹高度流态由曲折流向十字交叉流转变,板间流体分布趋于均匀,换热性能增大;沿沟槽形成连续的涡结构,在触点周围形成具有周期性和中心对称的高剪切涡量集中区,垂直于流动方向场协同呈现周期性变化,波纹高度越高周期性越明显;在波纹核心流域内因流动与热流相似,其协同程度变差。     

翼型涡发生器对半圆形螺旋通道的换热强化机理

为考察不同形状和布置方式的翼型涡发生器强化半圆形截面螺旋通道的换热特性,对单一以及安装了jxjs、jxjk、sjjs和sjjk 4种涡发生器的螺旋通道内流动与换热特性进行了数值研究,数值模拟结果与实验结果吻合较好。结果表明,研究范围内涡发生器前后180°范围内的换热壁面平均Nusselt数与单一通道的相应值之比的平均值在1.044～1.074之间,流动阻力系数f/f₀在1.105～1.188之间。对传热效果而言,矩形翼优于三角形翼,对翼渐缩布置优于渐扩布置。涡发生器产生的纵向脱落涡旋改变了原有的二次流场结构,改善了速度场和温度场的协同性,强化了传热。安装jxjs和sjjs型涡发生器的复合二次流场分别为4涡和2个大涡结构,Re=8000时两者在通道内强化换热作用范围分别可达10.47和12.56倍翼高的距离。     

有序涡旋对三角槽道脉动流强化传热的影响

以水为工质对三角槽道内单相液体充分发展层流脉动传热特性进行了研究。应用粒子图像测速技术（PIV）测得流场内涡的变化规律,从“涡及涡运动”的角度揭示了“有序”的涡生长及迁移过程对脉动流强化传热的影响。此外,应用“场协同”理论,通过数值模拟深入分析了流场特性与传热之间的关系。研究发现,“有序”的涡生长及迁移过程,破坏了流体边界层,促进了近壁区热流场与速度场的协同,同时,强化了三角槽道内流体与主流区流体的掺混,热量输运能力提升;存在最佳的Strouhal数（St）,使得涡旋既能充分发展又能在较短时间脱落进入主流,实现最大效率的壁面换热;有序涡旋对速度场、温度梯度场以及压力梯度场三者协同性的改善是换热性能提升的关键。     

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。