扭曲管传热性能数值模拟与实验研究

为了研究扭曲管强化传热性能,通过建立模型数值模拟和实验研究相结合的方法对扭曲管及具有相同截面形状的普通椭圆管的传热性能进行了对比分析。研究了扭曲管和椭圆管管内流体努塞尔数Nu,压力降Δp和管内综合性能评价因子η随雷诺数Re的变化情况,在Re为800—2 000时,扭曲管管内Nu是普通椭圆管的2—3倍,综合传热性能是椭圆管的1.5—2倍。得出了扭曲管可以很好地加剧管内流体湍流、强化管内传热,特别适用于管内流体在低雷诺数范围内的传热,是一种十分高效的强化传热管。     

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。     

齿状凹槽型扭带深度比对管内传热特性的影响

为探究齿状凹槽型扭带的凹槽深度比e对换热管换热特性的影响规律，通过数值模拟方法，在雷诺数Re=800～1600范围内恒壁温条件下，分别对内置深度比e为1/3、1/2、2/3、1的齿状凹槽型扭带管内传热性能进行了探究。研究结果显示：凹槽深度越大，努塞尔数Nu与PEC值均随凹槽深度的增加而增大，其中凹槽深度比e=1时换热管的PEC值明显高于其他扭带。     

网状孔板纵向流换热器壳程流体流动及换热特性的数值模拟

应用CFD软件对网状孔板换热器壳程流体流动及换热特性进行了数值模拟研究,揭示了网状孔板强化传热的机理,分析了孔板间距及开孔率对其换热、压降性能的影响,推导出网状孔板纵向流换热器壳程换热与流动的准数关系式. 结果表明,流体流过网状孔板产生射流及二次流现象,强化了壳程流体的传热;在Re=2300~6300范围内,网状孔板换热器比弓形折流板换热器的Nu数增大约50%,但压降比弓形折流板换热器高约2.5倍;在研究范围内,孔板间距减小、开孔率减小均能使壳程流体的Nu数及压降增大,且Re数越大,开孔率、折流板间距对Nu数及压降的影响越大;但随开孔率、折流板间距减小,流体压降增加的速度明显比Nu数快.     

含固体粒子旋转流强化流体传热的实验及模拟研究

针对管内除垢与防垢及强化传热问题,对工程上应用较广的扭曲管、扭带管中旋流场内低浓度液固流场综合性能进行实验及模拟研究. 结果表明,含粒子旋流场可提高流体湍流强度,与圆管相比,扭曲管和内插扭带圆管均有较好的旋流效果,相同Re下扭曲管的换热系数提高18.7%~30.1%,阻力系数提高13.1%~181.8%,综合性能评价因子平均提高15.5%,高于圆管和扭带管;而扭带管的换热系数比圆管提高5.6%~32.9%,阻力系数最高. 对扭曲管内粒子传热性能进一步优化,模拟值与实验值的误差为10.7%~12%. 旋流作用有利于提高液固流场的综合性能,但较高流速下该综合性能则逐渐降低.     

内置交替轴扭带的管内层流换热特性

为了提高管内层流换热性能,开发了三种不同的交替轴扭带作为强化换热的扰流元件。通过数值模拟对内置这些扰流元件的管内换热与流动特性进行了研究,结果表明：（1）对于交替轴窄边扭带,在较低Reynolds数下Nusselt数随错位角的增大而增大;而Re较高时,错位角的影响较小。阻力系数f随错位角的变化不大,90°对应的综合性能指标PEC最高。（2）对于交替轴中空扭带,Nu在60°时达到最大值,f随错位角的增加而有较明显的增加,PEC在60°时最好。（3）对于交替轴窄边中空扭带,Re较低时,Nu随错位角增大而增加;而Re较高时,错位角的影响较小。f的最大值出现在错位角为60°时,但错位角的影响并不明显,而且比交替轴窄边扭带的f降低很多。90°错位角对应的PEC最好。（4）总体来看,采用交替轴窄边中空扭带能全面获得优良的热-水力学综合性能。     

内置交替轴扭带的管内层流换热特性

为了提高管内层流换热性能,开发了三种不同的交替轴扭带作为强化换热的扰流元件。通过数值模拟对内置这些扰流元件的管内换热与流动特性进行了研究,结果表明:(1)对于交替轴窄边扭带,在较低Reynolds数下Nusselt数随错位角的增大而增大;而Re较高时,错位角的影响较小。阻力系数f随错位角的变化不大,90°对应的综合性能指标PEC最高。(2)对于交替轴中空扭带,Nu在60°时达到最大值,f随错位角的增加而有较明显的增加,PEC在60°时最好。(3)对于交替轴窄边中空扭带,Re较低时,Nu随错位角增大而增加;而Re较高时,错位角的影响较小。f的最大值出现在错位角为60°时,但错位角的影响并不明显,而且比交替轴窄边扭带的f降低很多。90°错位角对应的PEC最好。(4)总体来看,采用交替轴窄边中空扭带能全面获得优良的热-水力学综合性能。     

内置折边扭带管内高湿气体对流凝结换热与流动特性

对高湿气体在内置折边扭带管内对流凝结换热与流动特性进行了实验研究。分析了壁面温度、水蒸气含量、进口温度、气流速度等对高湿气体对流凝结换热的影响,降低壁面温度、提高水蒸气含量对流和凝结换热均提高,但对强化凝结换热尤其明显。引起扭带管内冷凝液膜状态变化的参数有扭曲比y和扭带与管壁间隙b。y越低气流旋转越强,导致液膜加厚而引起传热量降低和流动阻力增加;b较小时液膜积存在扭带端部,不仅降低传热面积而且无气流穿越扭带端部,b较大时旋转气流能穿越扭带端部,减薄管表面液膜厚度,强化凝结换热。     

螺旋椭圆管换热器传热特性与阻力特性研究

旨在研究螺旋椭圆管式换热器管内流动换热性能。借助CFD数值模拟方法分析了流体入口角度θ和椭圆截面长短轴之比a/b对螺旋椭圆管式换热器管内流动和换热的影响,并且利用综合传热增强因子PEC评价了换热器的综合换热性能。结果表明:螺旋椭圆管内存在二次流,导致螺旋椭圆管截面内温度梯度和速度梯度径向分布不均;在研究范围内,θ增大,努塞尔数Nu增加,摩擦系数f提高,综合换热性能增加;θ>45°时,螺旋椭圆管综合换热性能优于螺旋圆管。θ一定时,a/b越大,综合换热性能越好。通过对多种不同结构的螺旋椭圆管进行多工况数值模拟后,修正了现有的准则关联式,提高了准则关联式的准确度。     

窄缝环形管内流动与传热实验研究Ⅰ.单相强制流动换热

对垂直窄缝 (窄缝尺寸规格分 1、1 5和 2 5mm 3种 )环形管内氟 1 1 3单相受迫对流换热进行了研究 ,环缝的加热方式采用热水逆流双面加热。详细介绍了实验装置、过程和方法。实验结果表明 ,窄缝环形管内单相流动换热的Nu数与普通圆管内层流公式计算值相差较大 ,不能套用传统的单相流动换热模型来计算管内的对流换热系数。根据实验数据 ,将修正的Dittus Boelter公式用于计算窄缝环形管内的Nu数 ,平均误差在 1 8 6%以内。     

内插不同形状涡产生器管内层流流动与传热特性的对比分析

内插扰流元件是一种可操作性强的管内强化传热方式,其强化传热机理主要是在管内诱导产生了二次流。在均匀壁温热边界条件下,对内插不同形状涡产生器管内层流流动与传热特性进行了数值分析。研究发现：在扭带基础上裁去部分面积相同的条件下,管内插等腰梯形涡产生器的换热能力最强,直角梯形涡产生器次之,矩形涡产生器的换热能力最差,管壁上的局部Nusselt数的峰值所在圆周位置及其大小与涡产生器形状有关,而不同形状的涡产生器对管内流动的阻力系数影响较小。插入涡产生器后,管内二次流强度参数Se和平均Nusselt数Nu均随Reynolds数Re的增大而增大,二者随Reynolds数Re的变化规律具有一致性。平均Nusselt数Nu与二次流强度参数Se呈幂函数相关,内插涡产生器管内的二次流强度决定了其对流换热强度。     

Thermal performance of tubular heat exchanger with multiple twisted-tape inserts

The paper presents an experimental investigation on enhanced heat transfer and pressure loss characteristics by using single, double, triple, and quadruple twisted-tape inserts in a round tube having a uniform heat-fluxed wal . The investigation has been conducted in the heat exchanger tube inserted with various twisted-tape numbers for co-and counter-twist arrangements for the turbulent air flow, Reynolds number (Re) from 5300 to 24000. The typical single twisted-tape inserts at two twist ratios, y/w=4 and 5, are used as the base case, while the other multiple twisted-tape inserts are at y/w=4 only. The experimental results of heat transfer and pressure drop in terms of Nusselt number (Nu) and friction factor (f), respectively, reveal that Nu increases with the increment of Re and of twisted-tape number. The values of Nu for the inserted tube are in a range of 1.15–2.12 times that for the plain tube while f is 1.9–4.1 times. The thermal enhancement factor of the inserted tube under similar pumping power is evaluated and found to be above unity except for the single and the double co-twisted tapes. The quadruple counter-twisted tape insert provides the maximum thermal performance.     

纵向内翅片管对流换热特性的实验研究及数值模拟

传热强化技术由于能使换热设备的效率提高,一直受到科技界和工业界的重视．一般认为翅片在强化传热中的作用主要是增加了热阻较大一侧流体的面积,从而减小了以总面积计算的热阻．在管外侧加翅片是强化管外换热的最普遍方式之一．相对而言,利用内翅片管强化换热的研究工作开展得比较少．本文对一种新型内翅片管的传热特性进行了实验研究,并通过数值仿真与实验数据进行了比较和分析．     

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。     

涡强化扁管管片散热器流动与传热的数值模拟

以空气为介质(Pr=0.698),通过数值模拟的方法,在Re=300～1800的范围内对涡强化扁管管片散热器初始段层流状态下的流动与传热进行了模拟分析,说明了涡产生器横向位置,即交错系数Sr改变时对局部Nu_local和横断面上的平均Nu_b的影响,并通过实验数据验证了数值模拟方法的正确性,证实了通过数值模拟的方法研究、开发换热板芯的可行性.     

直插式垫条型缠绕管式换热器过程强化

为增强缠绕管式换热器的综合换热性能,本文提出一种沿径向安装于缠绕管式换热器芯筒内壁上的直插式垫条型内插件。通过数值模拟的手段,研究了直插式垫条型缠绕管式换热器的流动与换热性能。相比于传统结构,直插式垫条在固定管束相对位置的同时也可作为涡发生器,影响管束形成的尾流场,对管束边界层产生持续的扰动,增强缠绕管式换热器的综合换热性能。计算结果表明,在相同的进口工况下,直插式垫条型缠绕管式换热器壳侧努塞尔数相比于传统结构提高了13.01%～15.55%,压降升高了1.3%～4.3%,综合换热性能可提高7.4%~10.5%。并在此基础上研究了直插式垫条不同的排布方式对流动及换热性能的影响,在雷诺数5000～24000的工况条件下,直插式垫条对齐排方式的综合换热性能最优;在雷诺数24000～30000的工况条件下,直插式垫条交错排布的综合换热性能最优。     

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。     

Heat transfer to newtonian and non-newtonian liquids in a screw agitator and draft coil system

Heat transfer has been investigated for several Newtonian and non-Newtonian liquids mixed in a flat bottomed vessel equipped with a screw agitator and a coil acting simultaneously as draft tube and heat exchanger. Heat transfer rates from coil to liquid were determined for different coil designs, rheological properties and operating conditions in the heating and cooling modes. A circulation Reynolds number is defined, the characteristic length being the effective height of the heat exchanger (the coil) and the characteristic velocity being the circulation velocity of the fluid which was determined experimentally. Using this Reynolds number, it was possible to establish a single correlation for the Nusselt number as a function of Reynolds and Prandtl numbers. Geometric ratios do not appear in this correlation which could adequately represent more than 200 experimental data. A similar single correlation could not be obtained when using the conventional mixing Reynolds number. This novel system is shown to be very efficient for handling rheologically complex fluids.     

含间隔分置旋流片的缩放管复合强化传热

Pressure drop and compound heat transfer characteristics of a converging-diverging tube with evenly spaced twisted-tapes （CD-T tube） have been investigated experimentally. Swirl was generated by evenly spaced twisted-tape elements which vary in twist ratio and rotation angle. Space ratio also has an important effect on the characteristics. For comparison, experiments in a smooth circular tube and a converging-diverging （CD） tube with-out twisted-tapes were carried out. The results show that the twisted-tape with twist ratio y=4.72 and rotation angle θ=180° has the best performance among the four types of twisted-tapes presented in this paper. At Reynolds number ranging from 3400 to 20000, when space ratio s=48.6, the heat transfer efficiency index, which increases as the Reynolds number increases, is 0.85-1.21 and 1.07-1.15 compared to that of a smooth circular tube and a CD tube without twisted-tape inserts, respectively.     

螺旋隔板三维翅片管传热实验研究与数值模拟

文章对冷却水在换热器管程流动并与壳程的热油逆流换热条件下,对螺旋隔板三维翅片管换热器的传热与压降性能进行了实验研究,并与光滑管进行了对比。在相同壳程Reynolds数下,三维翅片管的壳程Nusselt数是光滑管的2.2—2.9倍,而压降是光滑管的2.3倍左右。采用计算流体力学软件F luent 6.0对螺旋隔板三维翅片管和光滑管换热器进行了数值模拟。结果表明,螺旋流条件下光滑管表面速度矢量均匀、稳定,而三维翅片表面的速度矢量因翅片激发流体而产生湍动和不规则的二次流,从而强化了流体的对流传热。对于螺旋隔板三维翅片管换热器,壳程Nusselt数和压降的数值模拟结果与实验计算值吻合良好,最大偏差分别为6.3%和9.8%。