过渡流下后向台阶壁面传热的时均特性研究

为研究过渡流范围(550?Re?1 500)后向台阶底面的传热特性,建立二维非稳态后向台阶流动的数值模型,数值模拟台阶下游底面的时均努塞尔(Num)数随Re数增大的发展变化情况,并结合流场中流动结构的发展变化规律对Num数分布特性进行分析。结果表明,随Re数增大,台阶下游流场中间区域产生旋转方向相反的旋涡对,主回流区下游底面和内部底面先后出现附壁旋涡;Num数沿着流动方向出现主峰和次峰,主回流区下游底面的附壁旋涡促进主峰下游的Num数快速增大,而主回流区内产生的附壁旋涡促进了主峰上游的Num数快速增大;主峰值、次峰值随着Re数增大而增大;两峰位置随着Re数增大先相向移动,然后同向移动。总之,在过渡流区域,提高Re数能够提高底面的Num数,增强底面换热效果,当Re数大于900时,主回流区内换热效果明显增强。     

过渡流下近壁圆柱流动传热特性的优化研究

针对过渡流状态下近壁插入圆柱的模型进行数值模拟与分析,通过基于复合网格系统的计算方法,分别研究过渡流状态下单圆柱与双圆柱对壁面流动传热特性的影响,以期优化圆柱下游壁面的流动传热特性。研究结果表明:1)一方面,近壁插入圆柱可使圆柱和壁面间流体受迫加速,此处壁面换热得以强化;另一方面,近壁插入圆柱可使流场产生波动,形成正负交替的漩涡,其对壁面的洗刷作用亦会使被洗刷处的壁面传热强化;2)近壁插入双圆柱与近壁插入单圆柱相比,可有效提高圆柱下游的换热系数,明显优化壁面换热效果。     

后向台阶绕流低频脉动特性的强化传热研究

后向台阶绕流是包含丰富流动现象的典型分离再附流动,在工程中应用广泛。这里针对过渡流下后向台阶绕流低频脉动特性对传热的影响展开研究,重点分析了主回流区再附着点下游传热得到强化的原因。结果表明：过渡流下的低频脉动特性诱导流动在壁面附近形成旋涡,这些旋涡的运动破坏了速度边界层的均匀发展,同时加强了冷热流体的混合,从而强化了底面传热,再附着点下游局部区域的传热比层流时提升了3倍以上。随着雷诺数的继续增大,近壁旋涡的形态发生变化,促使流体冲击壁面的角度增大,低速回流范围减小,从而进一步强化了底面传热。     

过渡流下多列叉排圆柱列流动传热特性对比研究

为了在过渡流状态下对小型化换热器叉排管束群的传热强化机理进行研究,对三列、五列叉排圆柱列的流动传热特性的数值模拟结果进行了对比研究。使用Fortran程序对基于复合网格系统的三列、五列叉排模型在不同横向间距(Ps/D)下的流动传热特性进行数值模拟。研究结果表明(1)当Ps/D=3时,五列叉排圆柱列的传热强化效果最好,Ps/D=4时,三列叉排圆柱列的传热强化效果最好;(2)在叉排管束群中,第二列圆柱列的对流换热效果最好,后排圆柱列的对流换热效果依次降低。(3)在叉排管束群中,当圆柱列列数增加时,Ps/D增大时,传热强化效果不明显。     

低雷诺数下三维后向台阶流的流动与传热特性研究

为研究低雷诺数下后向台阶的流动与传热特性,建立三维稳态后向台阶的数值模型。采用Fluent设定控制方程和边界条件,模拟出三维后向台阶的流场和温度场。结果表明:当雷诺数Re一定时,台阶底面中心处的Nu由初始值快速到达峰值,再从峰值迅速减小,随着距离台阶越远,Nu值不断减小并趋于平缓;由于受到侧壁的影响,二维底面和三维底面中心处的努赛尔数峰值的差值会随着雷诺数的增加而增大。同时,三维模拟底面中心上的再附着长度会随着雷诺数的增加大于二维模拟的结果;三维台阶底面的再附着点的连线呈抛物线状,顶面的会出现对称的漩涡,侧壁的流动很不规则,三维台阶中心面处的流动具有二维特性;三维台阶底面的努赛尔数的最大值不是出现在中心线处,而是分布在两个侧壁的附近。     

三维后向台阶不同宽高比对流动传热特性影响

建立三维非稳态数值模型对中低雷诺数下三维后向台阶不同宽高比的流动与传热特性进行了数值模拟研究。采用有限容积法对控制方程进行空间离散,模拟出三维后向台阶内流场及温度场。结果表明,数值模拟结果与先前的实验结果具有较好的一致性。随着宽高比AR不断地增大,最大时均努赛尔数值不断增大且之间的差值越小,同时最大时均努赛尔数在x方向位置不断向台阶下游移动,在z方向位置几乎保持不变。当雷诺数Re=1100,宽高比AR=8时,底面传热得到强化;宽高比AR=4时,底面传热效果较差。     

过渡流下串列双圆柱周期传热机理研究

主要研究过渡流状态下串列双圆柱的传热强化机理。通过基于复合网格的专用程序计算在雷诺数为200时不同间距下的工况,并分析其传热强化机理。计算结果表明:(1)上游圆柱压差阻力和黏性耗散都随着两圆柱间距增加而增强,当压差阻力的作用与黏性耗散的作用相平衡的时候,下游圆柱壁面的达到最大。(2)下圆柱前缘处传热强化的因素包括上游圆柱尾流对下游圆柱壁面的速度边界层的影响以及所携带的冷热流体对下游圆柱的温度边界层的影响。由于冷热流体流动的周期不均匀性与边界层分离点的周期转移,造成了ΔNu和ΔCf变化规律的不一致性。(3)NVP、PVP加速或抑制下游圆柱边界层的发展及分离,上游圆柱尾流所引导的冷热流体对下游圆柱壁面有周期性的洗刷作用。这是下游圆柱壁面传热强化两个重要因素。上述传热强化机理的发现,对开发设计新型小管径换热器起指导作用。     

过渡流下圆柱不同间距比对壁面传热特性影响

目前换热器正朝着结构紧凑、小型化方向发展,换热器的管束细化使管外流场向过渡流状态转变。为了提高换热器的换热效率,采用基于复合网格系统的计算方法,建立了内插串列双圆柱对壁面强化传热模型并进行实验验证,通过数值分析研究过渡流状态下圆柱距壁面的不同间距比(C/D)对壁面传热特性的影响,以期优化圆柱下游壁面的流动传热特性。研究结果表明:近壁插入圆柱可强化圆柱下游处的壁面传热;不同C/D值对壁面的传热强化效果有显著影响,壁面的传热强化效果随C/D的增大而减小,在加工工艺条件允许的情况下应尽量使被插圆柱靠近壁面,这为过渡流下换热器的研究提供了参考。     

过渡流下异管径三圆柱绕流的可视化实验

为研究过渡流下不同雷诺数Re,不同横向中心距Ps的异管径三圆柱绕流的流动特性,采用二维粒子图像测速系统(PIV)对过渡流下异管径三圆柱绕流进行可视化实验研究.结果 表明,Re=120、150和200时,横向中心距的变化对上下游圆柱尾流有着明显影响.横向中心距的变化主要影响上下游圆柱的互相作用,从而引起尾流旋涡形态的变化...     

波纹翅片传热与流动特性数值仿真分析

采用数值计算方法,进行了波纹翅片传热与流动阻力特性的仿真研究。计算了波纹翅片上下表面换热系数沿着流动长度方向的变化特性;进行了波纹翅片无量纲曲率半径对换热系数、努塞尔数、管道压降、摩擦因子、管道进出口空气温差等的影响研究,绘制了波纹翅片换热性能评价图。研究结果表明,波纹翅片上下表面换热系数的大小沿着翅片长度方向呈现正弦形式波动,波动幅值逐渐较小;无量纲曲率半径的减小有利于提高波纹翅片的换热效果,但波纹翅片内空气流动的阻力也随之增大;换热性能评价图显示波纹翅片换热性能的增长率小于流动阻力的增长率。该研究内容为机车及动车组板翅式换热器空气翅片选型提供参考。     

典型波纹翅片单元流动与传热特性的数值研究

以两种典型的波纹翅片单元为研究对象,在合理简化条件下给出了物理模型和数学模型,通过流固界面的传热耦合,对不同进口风速下波纹翅片单元的流动及传热和阻力特性进行了数值研究.通过对传热系数,Nu数、压降以及涡量分布的对比分析,结果表明:人字形翅片的传热性能优于波浪形翅片,而流动阻力性能却没有明显的劣势,其主要原因是翅片流场中涡流的产生与耗散存在差异.     

近壁串列双圆柱绕流自激振荡及强化传热研究

近壁串列双圆柱绕流是研究强化传热的典型模型之一,在动力工程领域有着广泛的应用。针对该模型中特有的流动传热特性进行了研究,重点分析了局部区域的强化传热机理。结果表明：壁面传热在两圆柱附近的区域出现不同程度的增强,在Re=400时第二个圆柱影响区域3≤x/D≤5的强化效果最好。进一步分析强化传热的形成原因,-1≤x/D≤1区域的强化传热主要由流动加速效应引起;3≤x/D≤5区域的强化传热主要由第一个圆柱尾流的低频自激振荡效应与流动加速效应的共同作用引起。深入研究这一共同作用,得出第二个圆柱附近的流动不稳定性与传热不稳定性的相互影响是局部强化传热的根本原因。     

过渡流下叉排翅片列三维传热特性的研究

叉排翅片是一种用在换热器表面排列紧凑而高性能的结构,应用极其广泛。目前国内外研究虽获得了大量实验数据和二维(2D)数值结果,但是对实际结构和边界条件下的三维(3D)数值研究涉及较少。为了进一步加深对叉排翅片列的3D数值模拟传热特性的研究,建立了叉排翅片3D数值模型,与实验结果、实验关联式进行了比较,分析了一些模拟与实验误差的因素,验证了实际边界条件下的3D数值模型,并进行了叉排翅片表面传热特性的分析。结果表明,存在一个非定常层流区且其流场在翅片区以外不稳定而在翅片区以内稳定,同时非定常层流区的传热性能比定常层流区的好。     

内插梯形挡板的交叉三角形波纹板流道的流动与传热研究

内插挡板可以强化交叉三角形波纹流道的传热.为此,本文研究了内插梯形挡板的交叉三角形波纹板流道的流动与传热.应用RSM模型对基于梯形挡板的交叉三角形波纹板流道进行数值研究,对内插不同挡板的流道流场和温度场进行分析,比较不同的梯形挡板对摩擦因子f、努塞尔数及综合传热指标PEC的影响.研究结果表明:梯形挡板增强了流体的扰动,...     

微槽强化管内的流动沸腾传热特性

本文对所开发的两种微槽沸腾相变传热管进行了流动沸腾实验研究,考察了强化管对沸腾传热的强化效果和传热性能。实验结果表明,这种结构简单、加工方便、易于应用的强化技术可有效地提高沸腾传热,使核沸腾传热所需的壁面过热度比光管要低得多,EH比SM管低4～5C以上,EC比SM管低10C以上,临界热负荷也显著提高,增强了临界热负荷区的运行稳定性。     

椭圆形丁胞数目及分布对传热管内流动和传热特性的影响

通过建立含不同参数椭圆形丁胞的传热管有限元模型,仿真研究雷诺数Re在5000~40000范围内椭圆形丁胞数目、轴向间距及交叉分布对传热管内流体介质流动及传热特性的影响规律。仿真研究结果表明,相比于光滑传热管,椭圆形丁胞的存在将增强对流传热的效果,且雷诺数Re越大越明显,但同时也会增加流体通过传热管时的流动阻力。此外,在雷诺数Re=40000时,椭圆形丁胞圆周分布数目N=6、轴向间距P=14 mm以及交叉分布角度为0°对传热管内流体的流动和传热综合特性影响最大,相比于光滑传热管,PEC分别达到1.156,1.15和1.13。     

复合台阶绕流中旋涡与强化传热的关联性机理

研究了复合台阶绕流中典型旋涡和壁面传热之间的关联性机理。通过PIV实验对所用的数值模拟方法进行了验证。从瞬态和时均两方面分析了早期过渡流区域复合台阶绕流的传热特性。结果表明：从层流到早期过渡流壁面的时均传热随雷诺数呈现出非线性的增长趋势,同时台阶底面局部区域的流动传热出现了非相似性。为了理清上述传热特征的形成原因,对一个振动周期里典型旋涡的形态特征和演变规律进行了分析,发现旋涡再附着冲击角γ,近壁冲击流速Ω和旋涡流向长度Lv是影响传热的三个关键因素。一般情况下,壁面传热随着γ和Ω的增大而增大。     

铝泡沫填充在内管的套管换热器内的流动和传热特性研究

对空气流经铝泡沫填充方形套管换热器内管的流动和传热进行了试验研究,通过数值模拟对其内部的压力场、速度场和温度场进行了描述,并和传统的套管式换热器进行了比较。结果表明：试验结果与数值模拟结果符合较好。热流量和压降都随孔密度或者流速的增大而增大。填充铝泡沫后强化传热明显,虽然压降也大于空管,但通过对换热器压降和传热性能的综合分析,得出填充铝泡沫后换热器的综合性能比不填充泡沫金属的普通套管换热器更好。