内置偏心螺旋扭带换热管层流传热的数值模拟

利用数值模拟方法对本文提出的内置偏心螺旋扭带换热管模型的层流传热特性进行计算与分析.研究结果表明:在一定的结构参数范围内,换热管的对流传热系数随着扭带偏心率的增加而增大,且雷诺数越大增幅越显著;在层流状态下,增大扭带偏心率能降低流体流动阻力系数,特别是在较低雷诺数下,阻力系数降低的程度更为明显;在雷诺数及扭带偏心率一定的情况下,换热管的对流传热系数随扭带扭率的减小而增大,但阻力系数也相应增大;换热性能评价指标在层流状态下均大于1,且随着偏心率及雷诺数的增加而变大,但当Re1 500后评价指标产生小幅波动,表明流体逐步由层流状态过渡到湍流状态.     

内置扭带管Cu-水纳米流体的流动和传热特性

为了研究纳米流体在内置扭带管表面传热特性及流动特性,设计并建立一套纳米流体表面传热实验系统,Reynolds数(Re)在2 000-7 000的范围内,分别对质量分数为0.1%,0.3%和0.5%的Cu-水纳米流体在不同扭转比的内置扭带管中的传热特性进行实验研究。结果表明:随着Re增加,Cu-水纳米流体和去离子水的沿程阻力系数均减少;水的沿程阻力系数小于Cu-水纳米流体,内置扭带管的沿程阻力大于光管,且随着扭转比的增大而减少;Nusselt数(Nu)随Re和纳米颗粒质量分数的增大而增大;Cu-水纳米流体的Nu比水高,质量分数为0.5%的Cu-水纳米流体在Y=3.5与Y=5.5的内置扭带管的增强幅度分别为2.29与2.14;内置扭带管的Nu比光管大,且随扭转比增大而减少。     

内置扭带管内湍流流动与传热数值模拟

为了提高内置扭带管的综合性能,开发了一种三边扭带,并对空管、普通扭带管、格栅扭带管及三边扭带管内流体流动与传热特性进行了数值模拟.以水为工质,采用RNG k-ε湍流模型,扭带扭率y=2.0,取Re=5 000~30 000,计算了扭带管内努赛尔数Nu、阻力系数f和综合性能评价因子η,与同工况下空管进行了对比.结果表明,相比于空管、普通扭带管和格栅扭带管,三边扭带管的综合性能较好,其η值比空管高出11.9%~33.2%.     

倾斜螺旋片强化的套管换热器数值模拟

为了减小螺旋片强化的套管换热器的摩擦阻力系数f,提出倾斜螺旋片强化的方法.基于RNGk-ε模型对倾斜螺旋片强化的套管换热器进行模拟;将Re=2 362~16 860的螺旋升角α=35°,螺旋片倾斜角β=5°、10°、15°时的传热性能与光滑管以及α=35°的普通螺旋片强化管的传热性能进行对比;考察f、Nu和综合传热性能PEC值的变化规律;并运用火积耗散理论对传热性能进行分析.结果表明:模拟结果与实验结果吻合较好,证明模拟方法是可行的;普通螺旋片和倾斜螺旋片均有强化传热的作用,与普通螺旋片相比,倾斜螺旋片能够有效地减小f,且对f的减小程度随着β的增大呈现先增大后减小的趋势,分别减小了1.7%~3.3%、12.5%~14.5%和6.3%~7.8%;Nu随着β的增大呈现先减小后增大的趋势,但变化不大;倾斜螺旋片的PEC值均高于普通螺旋片,当β=10°时PEC值最高,相对于普通螺旋片的1.26~1.62,增大到1.38~1.71;采用倾斜螺旋片强化的火积耗散率均低于采用普通螺旋片强化的火积耗散率,当β=10°时,火积耗散率最小,与等泵功条件下所得出的结论吻合.     

内置折边扭带圆管内三维流动与传热数值模拟

为研究烟气在内置扭带管内流动和强化传热特性,以螺旋扭带管和折边扭带管为研究对象建立烟气流动与传热三维数值模型,模型中对近壁面采用增强壁面函数法,并考虑低雷诺数和旋转流对湍流黏度的影响。与圆管相比Re=2300～5000内螺旋扭带管Nu提高21%～24％;折边扭带管Nu提高25%～32％。折边扭带管流动阻力ΔP为12～57Pa,比螺旋扭带管ΔP增加10%～18％。折边扭带管传热和流动性能比φ为120%～126％。内置折边扭带管强化传热的原因是具有沿流向以折边长度为周期的增速和减速。     

高温高热流密度熔盐吸热管传热试验研究

以三元熔盐为传热介质,在熔盐吸热传热实验平台上进行高温高热流密度下316L不锈钢熔盐吸热管传热特性试验。吸热管外径为20 mm,实验流体温度控制在250~500℃,热流密度为180~470 kW/m2。实验揭示了不同温度及不同热流密度下熔盐吸热管内对流换热的Nu-Re关系,Nu随Re增加显著增大,实验Nu数普遍高于按Sieder-Tate关联式计算的值。分析了温度及热流密度对熔盐吸热管传热特性的影响,发现熔盐平均温度相同时,低热流密度下的Nu数大于高热流密度下的Nu数,同时实验结果显示高温高热流密度下熔盐吸热管的传热性能主要取决于熔盐流速,且高热流密度对传热过程中的温度影响非常显著。     

内螺纹肋管几何参数对流动与传热的影响

以空气(Pr=0.744)为介质,在Re=2 000时,对17根内螺纹肋管进行了数值模拟,研究内螺纹肋管的流动与传热特性.在梯形肋几何参数肋高H =0.02～0.06,肋数N=35～50条,螺旋角γ=35°～45°时,分析肋高、肋数、螺旋角的变化对Nu和f的影响,得出Nu和f随N、H增大而增大,随γ增大,Nu和f先增大再减小,Nu在γ=41°达到最大值,f在γ=39°达到最大值.研究表明,最佳肋参数为0.50/40/41.     

旋转扭带管内传热与阻力性能的数值模拟

为了研究生物质锅炉换热管内插入外源驱动旋转的扭带对传热及阻力性能的影响,建立了不同扭曲比的扭带在不同转速时管内流体流动的三维物理模型.采用RNGk-ε湍流模型对传热过程进行模拟,得出了旋转扭带管内流体的换热及阻力特性.结果表明:旋转扭带提高了管内流体的轴向速度和切向速度;转速为0～10rpm时,转速越大、扭曲比越小,表面传热系数越大,阻力损失也越大;扭曲比在2.06～5.1的扭带,综合评价因子在1.13～ 1.41之间,扭曲比为3.15的扭带综合评价因子最高.     

含扭带管内液压油流动与传热实验研究

针对几种常见液压油在不同扭率的含扭带管内的流动与传热特性进行了实验研究,得出了液压油在含扭带管中层流的摩擦系数及对流放热系数的准则关系式,并将实验结果与光管时的摩擦系数及对流放热系数对比,结果表明,扭带在扭率１．９２～２１．０５范围内均可强化液压油的层流对流换热过程．     

无阀压电微泵用平面锥管内部流动附壁效应

为研究锥管内流体流动中产生的附壁效应对其流阻系数的影响,采用数值模拟的方法对平面锥管内部流动附壁效应进行研究.结果表明:雷诺数Re在300~3000,锥管角度在5~40°时,扩散方向流动可以分为3种状态,即稳定状态、附壁状态和射流状态.锥管角度为10~35°时,锥管内流动易于发生附壁效应.Re在300~1 200时,稳定状态扩散流阻系数随着扩散角的增大迅速降低;附壁状态扩散流阻系数随着扩散角的增大缓慢增大;射流状态扩散流阻系数随着扩散角的增大而缓慢降低.Re在1 800~3 000时,附壁状态扩散流阻系数在锥管角度为30°时达到最大值.流阻系数比在稳定状态和射流状态下基本不变,在附壁状态下随着扩散角的增大迅速减小.     

微管内流动与换热实验研究与分析

采用不同压力下的水蒸汽来加热微管,蒸馏水流过内径分别为215μm、322μm、530μm及765μm微管,实验同时测量了微管两端的压力降及流量.实验得到了Re数在100-7 000之间变化时的摩擦阻力系数f及Nu数,并与经典的流动阻力系数及经典层流、过渡流及紊流换热准则方程式进行了对比.实验结果表明,在Re数较低时,微管内部f值与经典的理论值基本相等,微管内部的Nu数略低于常规经典的换热准则方程式的解;在Re数增加到1 800-2 000时,f值偏离经典的层流解,但微管内的Nu数与过渡流准则方程式的解基本一致;当Re数增加到3 000-7 000左右时,f值达到或接近勃拉修斯解,管内部换热的Nu数达到常规尺度下的紊流换热方程式的解.[关键词]微管,摩擦系数,努谢尔特数     

Q型内构件强化管内湍流流动与传热特性分析

为了研究内置Q型扰流构件强化圆管内湍流流动与传热特性,以水为工质采用ANSYS Fluent软件在3 000≤Re≤30 000范围内对内置RL-90-QSM、RR-90-QSM和RR-00-QSM等3种构件的管内传热与流阻性能进行数值模拟,基于RL-90-KSM研究Q型构件强化传热综合性能。研究结果表明:在Re=3 000~5 000,RL-90-QSM内传热Nu随Re的增大增加最快,较KSM内Nu提高约7%~36%,但其强化传热综合性能弱于KSM;而RR-00-QSM和RR-90-QSM内传热Nu分别较KSM降低约3%~8%和4%~15%。当Re5 000时,RL-90-QSM内Nu较KSM提高约48%,特别是当Re15 000时其强化传热综合性能高于其他三种构件;RR-90-QSM和RR-00-QSM的强化传热性能随Re增加逐渐降低,但其强化传热能力高于KSM。     

管内插入扭带的强化传热数值模拟

为了定量研究管内插入扭带的强化传热方式,建立了以空气为传热介质的管内插入扭带强化传热的套管式换热器模型,进行了数值模拟研究,与实验结果相比较,在高Re的紊流流动状态下,得出了非常一致的结果.研究表明,扭转比越小,传热效果越好,同时摩擦阻力系数越大;流体温度越高,辐射传热的效果越明显,传热效果越好;压力对传热效果的影响包含在Re和Pr中.     

内置十字形螺旋元件换热管的强化传热研究

针对换热设备传热效率低等问题,研究开发出一种十字形截面传热强化螺旋元件.提出十字形螺旋元件4种强化传热机理,包括轴向流速增大效应强化、螺旋流流速增大效应强化、二次流流速增大效应强化及边界层减薄效应强化.采用理论推导的方法,建立Nu数预测关联式和压力降预测关联式.研究结果表明：传热强化评价值PEC随着心轴直径比的增大而增大,但增加的幅度很小;传热强化评价值PEC在y〈4时,随着叶片宽度直径比的增加而增大,在y〉4后,随着叶片宽度直径比的增加而减小;传热强化评价值PEC随着y的减小而增加,在y〈2时增加明显.强化传热机理的理论分析结果与数值模拟结果吻合良好,具有相同的趋势.     

内置分段式弹簧换热管内流场的数值模拟

针对内置弹簧换热管在强化传热过程中产生较大阻力的问题,提出了一种插入分段式弹簧的方法,并通过Fluent软件对内置不同长度的弹簧换热管某一截面处的流动特性进行数值模拟,分别取每段弹簧的长度分别为50 mm、100 mm、150 mm、200 mm,得到了在内置不同长度弹簧的换热管内某一截面处的速度场;然后分别取不同丝径和圈径的分段式弹簧,对换热管内某一截面的流体径向速度场进行数值模拟,研究弹簧的丝径与圈径对强化传热的影响.结果表明:在换热管两端插入分段式弹簧使得管内流体径向速度提高了2~3倍,加快了管内壁区域流体的流动,使得边界层变薄,不仅加强了边界层流体的扰动,而且一定程度上降低了流体流动的阻力,从而提高了换热效率.在雷诺数相同时,内置分段式弹簧换热管相对于光管Nu数提高了2~4倍;随着丝径和圈径的增大,强化传热效率得到提高而流动阻力随着相应增加.     

旋度对旋转冲击射流传热特性的影响

基于已有文献中的实验数据,提出了一种采用RNG-k-ε湍流模型能较准确地模拟旋转冲击射流靶面传热特性的数值计算方法。采用该方法,针对内置螺旋杆、内置扭转带和内置导叶片三种类型的激发旋流方式,得出了来流Re数对喷嘴出口射流旋度的影响,并分析了旋度对靶面换热特性的影响。数值结果表明:不考虑Re数影响的旋度评估方式会出现很大偏差,螺旋角30°和45°下喷嘴出口气流的旋度对来流Re数比较敏感。三种不同喷嘴的旋流在冲击靶面会产生不同的高换热"冷斑","冷斑"的形状及面积大小与喷嘴出口旋度有关。气流旋度越大,换热Nu峰值越小,但换热均匀性提高。不同结构喷嘴下靶面换热特性取决于来流Re数和旋度的综合效应。本研究中,相同条件下内置螺旋杆产生的旋流冲击射流在靶面具有最佳的均匀高效换热性能。     

椭圆断面厚壁螺旋管强化传热与流体阻力研究

对椭圆断面厚壁螺旋管进行了强化传热和流体阻力实验研究.结果表明,螺旋管的平均传热系数较光管有大幅度提高,最大为原来的2.2倍,其准则方程式为Nu=0 197Re0 625Pr0.4(104＜Re＜3.72×104)在雷诺数较低时,螺旋管的传热效果较好,流体阻力也较小,随着雷诺数的增大,流体阻力迅速增大.螺旋管强化传热和最佳工作区域在Re＜2×104范围内     

波纹管层流传热与流动的三维数值模拟

应用计算流体力学软件FLUENT对波纹管在层流情况下的传热与流动问题进行了三维数值模拟。所模拟的波纹管的母线由多段凹凸圆弧组成(半径分别为R1和R2),其公称直径为20mm,长度为2m。模拟了几何参数R1、R2对其传热与流动性能的影响。在模拟过程中压力-速度耦合选用SIMPLEC格式,压力方程的离散选用Standard格式,其他方程的离散均选用QUICK格式。结果表明:与光管相比,层流情况下波纹管能显著强化传热,在雷诺数(Re)相等情况下,波纹管的R1越大、R2越小时的强化传热效果越好;在几何参数相同情况下,Re越大,强化传热效果越好,在所研究的范围内,Nu最大增加了199.5%。同时,波纹管还具有良好的流动性能,大部分Re的范围内流动阻力系数小于光管的情况,并且随着Re的增大而逐渐接近于光管的摩擦系数。     

不同体系对流传热膜系数测定的实验研究

选用牛顿冷却定律作为对流传热实验的测试原理,通过建立不同体系的传热系统,即水蒸汽—空气传热系统、乙醇水溶液蒸汽—空气传热系统,分别对普通管换热器和强化管换热器进行了强制对流传热实验研究。确定了在相应条件下冷流体对流传热膜系数的关联式。普通管换热器对流传热膜系数的关联式:Nu=0.01473Re0.61Pr0.4;强化管换热器对流传热膜系数的关联式:Nu=0.0251Re0.821Pr0.4;其计算值与实验结果符合良好。此实验方法可以测出蒸汽冷凝膜系数和管内对流传热系数。     

光管内湍流脉动传热影响因素的实验研究

通过湍流条件下光管内流体脉动传热的实验研究,分析了流体脉动参数对强化换热的影响规律。用无量纲参数A0和Womersley数描述脉动振幅和脉动频率,并利用最小二乘法拟合得到了实验范围内脉动振幅与Nu数之间的关系。结果表明:在实验范围内(16≤v≤40m/s,0≤f≤100Hz),雷诺数、脉动振幅和脉动频率对流体脉动强化换热都有显著的影响,随着雷诺数和脉动振幅的增加,换热效果将增强;而当脉动频率在0~20Hz以下和80~100Hz两个频率区间内脉动传热存在最优值;在实验条件下,利用A0和W数可以较好的表征脉动振幅和脉动频率特性。