交叉螺纹型换热管数值模拟研究

采用数值计算方法研究了流固耦合条件下，雷诺数Re在415 716～692 861范围内交叉螺纹型换热管内结构参数对传热与流动特性的影响，并采用双目标优化的方法得到平衡其传热与阻力特性的最优解及相关设计参数。结果表明:交叉螺纹管的努塞尔数Nu、阻力系 数f分别增大为光滑管的1.37~1.94倍、1.75~4.70倍；交叉螺纹附近的旋流使得管壁处压力梯度和湍流动能增大，对热边界层的扰动增强，从而使其换热性能提高；利用遗传算法得到双目标优化的Pareto前沿，并给出了最优解的平衡点C，其对应的Nu、f分别为2 161、0.058 8，设计参数为Re=689 453、n=6、h/di=0.253、p/di=0.558 8。因此，根据传热与流阻性能进行决策时，若传热性能占优则从C—E中寻找最优解，否则从A—C中选择最优解。     

层流脉动流中平行圆柱体对流换热的实验研究

为研究脉动流中圆柱体的对流换热特性,搭建了脉动流强化传热实验台架,研究不同雷诺数(Re=563 1689)、脉动频率(f=15 59 Hz)和压力振幅(prms=25～150 Pa)的脉动流中平行圆柱体的对流换热问题,获得了相对努塞尔数的经验公式Nur(f,prms,Re)。结果揭示了低频脉动流能显著增大平行圆柱体的对流换热系数,最大相对努塞尔数可达4.5以上。此外,固定雷诺数和脉动频率时,圆柱体表面平均温度随压力振幅的增大而非线性下降,但相对努塞尔数随压力振幅的增大而线性增加;固定压力振幅和脉动频率时,相对努塞尔数随雷诺数的增大而降低。     

内螺旋外棘齿管对流换热与流阻实验研究

针对火力发电厂无铜化运行需求．研制并加工出一种钢质双侧强化传热管一内螺旋外棘齿管。采用通用的强化传热管试验装置,对5根不同结构参数的内螺旋外棘齿管进行了水平单管管外蒸汽冷凝和流阻特性试验研究。根据大量实验数据,拟合出实验雷诺数尺P范围内的管内换热努塞尔数Nu及阻力系数f的计算关联式,并对内螺旋外棘齿管的热力性能进行了评价。实验研究发现：所有内螺旋外棘齿管管内换热系数比光滑管提高了42％～152％,同时阻力系数增加了48％～350%。最后得出结论：无论在何种工况下运行。内螺旋外棘齿管的换热与流阻综合性能均优于光滑管。可用做发电厂换热设备的管芯。大大提高电厂热能的利用。     

横向节距对锯齿螺旋翅片换热管特性影响的实验研究

为获得管束布置结构对锯齿螺旋翅片换热管特性的影响,在分析其影响机制的基础上对9个锯齿螺旋翅片管错列管束进行了实验研究,获得了横向节距对锯齿螺旋翅片管束换热与阻力特性的影响规律,并提出相应的关联式.结果表明:在横向相对节距范围2.31～3.15,相同雷诺数Re和纵向节距下随横向节距增大,翅侧努谢尔数Nu变化在±3%内;欧拉数Eu减小约20%;综合传热性能j/f(科尔伯恩传热因子与范宁摩擦因子比值)增大约25%.通过与错列光管管束的比较,表明锯齿螺旋翅片管束强化换热性能较优,在大型气体换热设备中具有广泛的应用前景.     

回转式空气预热器蓄热元件流动传热数值模拟

为研究回转式空气预热器蓄热元件流动与传热特性,采用Fluent软件对3种搪瓷蓄热元件进行数值模拟,获得蓄热通道速度、温度、压力云图及不同雷诺数下努塞特数和阻力系数的变化图像。模拟结果表明:3种板型蓄热元件阻力系数随雷诺数的增加而减小,努塞特数随雷诺数的增加而增加;增加斜波纹的蓄热元件传热性能提高,流动阻力增大,波纹参数是影响蓄热元件流动阻力的重要因素,壁面温度对其影响较小。该结果可为回转式空气预热器蓄热元件的优化设计提供参考依据。     

扭曲内肋管的换热与流阻特性分析

为了减少传热过程中的热阻,实现节能降耗,强化换热是行之有效的措施。采用异型管和肋片相结合的方式以达到强化换热的目的。通过将扭曲管和不连续斜肋相结合,建立了不同肋排数的扭曲内肋管的几何和数学模型;在给定条件下,对模型进行了验证,并进行热力性能的三维数值模拟。结果表明:在相同雷诺数Re下,加肋扭曲管的努赛尔数大于不加肋扭曲管的努赛尔数,且加肋排数越多,努赛尔数Nu越大。相同条件下,带肋的扭曲换热管的阻力系数大于无肋的换热管,加肋排数越多,阻力系数越大。带肋扭曲管的j因子要比没有加肋扭曲管大,但随着流体流速的增加,压损增加,换热性能有所下降;八排肋扭曲管的强化换热因子(j)比不加肋扭曲管提高约9%。由场协同数判定:加肋扭曲管的场协同数优于不加肋扭曲管。因此,所研究的扭曲内肋管性能更优越。     

螺旋扭曲扁管换热器壳程湍流传热的数值分析

采用标准k-ε湍流模型并辅以壁面函数法,对高雷诺数条件下螺旋扭曲扁管换热器壳程湍流流动与传热进行了三维数值计算,并与弓形折流板换热器相比较。数值计算结果表明:螺旋扭曲扁管换热器壳程的传热系数随雷诺数的增大而增大,随螺旋扭曲扁管的S/de值增大而减小;壳程压力降随雷诺数的增大而增大,随螺旋扭曲扁管的S/de值的增大而减小;螺旋扭曲扁管换热器壳程整体性能指标α/ΔP较高,强化传热效果较好。     

不同实度扰流柱阵列的流动与换热特性研究

采用剪切压力传输SST k-?湍流模型对3种不同实度扰流柱阵列的换热效果与流动特性进行数值模拟。根据冷却流体的流场结构,分析扰流柱实度对冷却通道内传热性能及压力损失系数的影响规律。结果表明:随着扰流柱阵列实度等级的增加,冷却气体动能降低,其流向速度呈周期性分布,通道内端壁面积缩小,但低温区域所占面积比重明显增大;扰流柱阵列的平均换热水平随进口雷诺数的增大呈指数上升趋势,高实度的扰流柱换热效果更佳,且在流场上下游分别出现换热峰值;冷却通道的整体压力损失系数随进口雷诺数的增大呈指数下降分布,高实度通道下降速率最大,其整体压力损失系数在高雷诺数阶段达到最低,在流向上沿程压力损失系数呈先降后升趋势。     

NF型搪瓷蓄热元件的传热与流动特性实验

回转式空气预热器(空预器)的传热与流动特性和所用蓄热元件的类型密切相关。搭建了回转式空预器蓄热元件传热与流动特性实验台,并通过周期性的风门切换,使得冷、热风交替冲刷蓄热元件,模拟回转式空预器的非稳态换热过程。通过实验研究 NF 型搪瓷蓄热元件不同雷诺数下的努塞尔数、压降以及阻力系数的变化规律,得出其传热和流动特性的拟合公式。     

麻面式过热器烟气侧传热与阻力特性数值研究

以麻面式过热器交叉流动通道为研究对象,采用三维数值模拟的方法,对麻面管烟气侧换热与阻力特性进行研究。结果表明:麻面管外壁凹坑与管束布置形式改善了烟气对流冲刷效果,破坏了气体流动边界层,缩小了传热恶化的尾流区面积;与光滑管束相比,顺列与错列麻面管束烟气侧的努塞尔数(Nu)分别提升了8%～63%、12%～48%,综合换热性能指标C_(PEC)分别为1.05～1.50、1.07～1.28;以烟气侧Nu、阻力系数f、C_(PEC)为目标函数,优化得到了最佳参数组合:顺列管束横向节距s_1/D_o=2.10,纵向节距s_2/D_o=1.75,对应的Nu=42.63,C_(PEC)=1.24,错列管束s_1/D_o=2.55,s_2/D_o=2.50,对应的Nu=47.02,C_(PEC)=1.31;运用多元线性回归的方法,分别拟合出顺列与错列管束烟气侧的换热准则关联式。本文研究结果可为麻面管的工程应用提供参考。     

内螺旋外棘齿管管内对流换热与流阻特性实验研究

针对发电厂换热器的特点及无铜化运行需求,开发出一种新型钢质双面强化传热管———内螺旋外棘齿管,对5根不同结构参数的内螺旋外棘齿管对流换热特性和流阻性能进行了实验研究。根据大量实验数据,采用多元线性回归法得到了具有较高精度的管内换热努塞尔数Nu及阻力系数 f计算关联式,并对结构参数对管内换热与流阻特性的影响进行了分析,研究结果为冷凝式换热器的设计及改造提供了理论依据。     

直接空冷凝汽器翅片管积灰的换热特性研究

为了深入研究空冷凝汽器散热管束积灰时的传热与流动特性,利用FLUENT软件数值模拟了翅片管束不同积灰厚度的传热及流动情况,对比分析了翅片管束不同积灰厚度的压力分布、温度分布及速度分布,计算得到了翅片管束5种积灰厚度的对流换热系数、传热系数及流动阻力随迎面风速变化的规律,拟合得到了摩擦系数及努塞尔数随雷诺数变化的关系。结果表明:随着迎面风速的增加,积灰前后的管外对流换热系数、传热系数以及流动阻力逐渐增加;同一迎面风速下,随积灰厚度的增加,对流换热系数和流动阻力增大,传热系数减小。     

燃气热水器换热器管内强化对流换热的研究

本文采用 fluent数值模拟的方法,将内插弹簧管与光管的对流换热特效进行研究,得到内插弹簧管比普通光管具有更优的传热性能,并分析其原因。引入综合性能评价标准指数,对不同水流量下的换热情况进行了进一步研究,得到在热水器水流量工作范围内管内弹簧有一定的强化换热效果。为便于热水器扰流弹簧的选择,本文进一步在研究扰流弹簧的尺寸对强化换热的影响,对不同钢丝直径、不同弹簧外径、不同节距的弹簧进行对比研究,为燃气热水器的设计提供参考。     

二次球窝/凸结构的流动控制及强化传热分析

球窝、球凸结构具有较好的强化传热效果,在换热器、燃气轮机冷却通道等传热设备上有较大的应用前景。采用数值模拟方法研究带有二次球窝/凸结构的矩形换热通道的传热及阻力特性,计算中采用SST k–湍流模型求解粘性Navier-Stokes方程,分析二次球凸截面直径对于通道流动及传热的影响。研究结果表明:二次球凸的加入对球窝腔内部及其下游光滑尾迹区的流动有明显的控制作用,同时在很大程度上影响了换热区域的努塞尔数Nu分布。相比于单球窝通道,二次球凸加入后球窝腔内以及下游光滑尾迹区的换热得到了明显的强化,并且随着二次球凸截面直径的增大,传热强化的程度逐渐增大,同时通过压力损失系数的变化规律可知,布置二次球凸结构强化传热的同时带来的压力损失非常小,可见二次球凸是一种有效的小流阻强化传热手段。     

壁面与燃气温比对跨声速燃气轮机涡轮叶片换热特性影响

燃气轮机涡轮叶片真实壁面与燃气温比实验存在耗费高、测量误差大的问题。采用数值模拟可以避免高温实验带来的困难。运用Fluent商业软件数值模拟叶栅进出口压比为2,壁面与燃气温比T_R分别为0.7、0.8和0.9时,叶片吸力面和压力面的努塞尔数及速度分布。结果表明:T_R越大,壁面附近无量纲温度梯度越小,叶片表面努塞尔数越小;T_R为0.9与0.7时,努塞尔数相差最大达32%;随着T_R的增大,吸力面分离泡产生的位置向前缘靠近,分离泡沿流向和法向的范围增大;由于分离泡引起湍流边界层的分离与再附,叶片表面的努塞尔数沿主流方向在0.836x/d0.884范围内急剧上升。本文研究结果可为燃气轮机真实壁面与燃气温比下的设计修正提供理论依据。     

复合式波纹板传热与阻力特性数值研究

DN(double notched)型波纹板传热元件在回转式空气预热器中应用广泛,为了揭示DN板波纹通道内的微观流动形态和强化传热机理,本文采用LBKE(Lam and Bremhorst k-ε model)湍流模型和计算流体动力学(CFD)数值模拟技术对DN板的传热、阻力特性展开研究,预测DN板的传热和阻力系数,分析DN板通道内的流场和温度场。模拟计算发现:DN板通道内的流动可分为波纹通道流动和平直通道流动两大类;DN板斜波纹段、凹槽段迎风面努塞尔数(Nu)较大,背风面Nu较小;Nu随着雷诺数(Re)的增大而增大,DN板上的Nu分布随着Re的增大而更趋均匀;增加DN板上斜波纹结构比例可提升其传热能力,但阻力损失也会相应增加;DN板在中等Re水平(Re≈5000)下运行时效果最佳,此时既能保证DN板上Nu均匀分布又控制了阻力损失大小。     

叶片旋流管内核心流强化传热分析与结构优化

管内湍流强化传热方法一般是增加壁面换热面积,但这会显著提高管内流动阻力。本文根据管内核心流强化传热的原理,提出了一种高效低阻的叶片旋流管,分析其传热强化的机理,建立相应的物理和数学模型。数值分析的结果表明,在圆管内置若干组旋流叶片后,可显著强化管内湍流换热,且流动阻力的增幅低于换热强化的增幅;当常温水流过管长为960 mm,管径为20 mm的圆管,且在管内核心流区域设置4组4叶片旋流单元时,其性能评价系数SPEC在Re数为3 000~15 000的范围内均超过1.5,最高可达1.9左右。     

基于热阻分析的管道层流换热机理及强化换热作用研究

传热传质过程的分析对传热传质工作设备的性能改善有重要的指导意义。通过对边界层内热阻的分析，探索管道层流内部对流热阻与导热热阻在边界层内的发展，建立了符合宏观表征的机理模型（R-P模型）。使用该模型分析了在不同雷诺数Re和普朗特数Pr条件下的热阻分布规律，探究了管内层流强化换热的内在机理，并指导扰流结构的优化设计。结果表明，入口段导热作用占主导，完全发展后对流作用占比逐渐增大。Re和Pr影响换热的机理不同：Re增大，换热一定加强；Pr增大，只是增大了对流作用的占比，且在Pr小于1.8范围内，导热热阻始终占主要作用。同时发现，在管道层流添加扰流结构反而会降低换热效果。     

螺旋槽管强化管内换热试验研究

针对电厂锅炉管式空气预热器的管内运行工况,对螺旋槽管管内流动阻力和换热性能进行的试验研究,分析了管内Re数、槽深以及节距对螺旋槽管管内阻力和换热的影响,得到了管内阻力和换热的准则关联式,并对螺旋槽管的热力性能进行了定量分析。     

泡沫金属矩形通道中对流换热的实验和模拟

实验研究和数值模拟了泡沫金属三维矩形通道内的流动和传热,引入基于渗透率的雷诺数和达西数,确定了泡沫金属对流换热和流动阻力的准则关系式,并分析了多孔结构参数和气体流速对对流换热系数、阻力系数的影响。研究结果表明:泡沫金属对流换热模拟结果与实验数据趋于一致,互为验证了可靠性;泡沫金属的换热强度和流动阻力均随孔径的减小(孔密度的增大或孔隙率的减小)而增大,大孔径的泡沫金属具有较好的对流换热综合性能;气体流速的增加有利于强化换热。