中空扭旋元件数目对管内层流传热特性的影响

为探究中空扭旋元件数目对换热管传热特性的影响规律,采用数值模拟方法对Re=200～1800范围内恒壁温条件下的管内传热进行了分析。研究结果表明:双中空扭旋元件换热管的Nu明显高于单中空扭旋元件换热管,但随着扭旋元件数目的继续增加,Nu变化并不明显;当中空扭旋元件数目增多时,换热管的f也随之增大;双中空扭旋元件换热管的PEC值明显好于其他换热管,所有中空扭旋元件换热管的PEC值均大于1。     

基于开槽强化管的缠绕管换热器传热强化研究

为了增强缠绕管式换热器的综合性能,在圆形光滑传热管外开了沿管中心线方向的半圆形凹槽。基于计算流体动力学(CFD)数值模拟分析,研究这种基于开槽强化管的缠绕管换热器壳侧空气流动、换热及综合性能随凹槽数量和凹槽深度的变化规律。结果表明:当壳侧入口流速一定时,对流换热系数和压降都随凹槽数量增加而增大,且增加趋势逐渐变缓。对流换热系数随凹槽深度的增大先增大后减少,存在峰值;压降随凹槽深度的增大先增大后维持基本不变,而换热器的综合性能评价指标(PEC),随凹槽数量的增加维持基本不变,但与圆形光管相比提高了约4.21%;随凹槽深度的增加,先增大后减小,在0.3 mm深度达到峰值,该值比圆形光管提高了约4.21%。     

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。     

单侧加热方形通道内超临界水传热研究

数值模拟了辅助冷却剂超临界水在单侧加热方形通道中的流动传热特性,从边界层厚度与近壁区湍动能两方面阐述传热恶化产生和恢复的机理。研究了不同工况（压力、入口温度、热通量、质量流量、流动方向和管径）下超临界流体常用传热关联式的适用性,发现Fan关联式预测精度较高。采用PEC因子对不同强化传热结构（双通道和凹槽）进行评价,发现上下双通道PEC因子普遍小于1,综合强化换热效果不佳,而偏下游的非对称倒角凹槽结构PEC因子为1.13~1.51,不同工况下均为最大值。场协同原理分析也证明偏下游的非对称倒角凹槽结构具有最佳的综合换热性能。     

带有三角翼涡发生器的螺旋通道强化换热研究

采用数值模拟方法探究了带有三角翼型涡发生器的半圆形截面螺旋通道内流体流动与强化传热性能，考察了相邻三角翼间隔角φ、长高比Г对强化传热性能的影响。结果表明：通道内安装三角翼的φ值越小，对流体的整体扰动作用越强，强化换热效果越好，但同时流动阻力也越大；研究范围内，φ=180°布置的三角翼综合强化传热效果最佳。同一雷诺数Re条件下，三角翼Г值越大综合传热系数PEC值越高。φ=180°、Г=2.50时，综合传热系数PEC在1.029～1.062之间。     

内置交错螺旋扭带换热管传热特性数值模拟研究

通过数值模拟对内置交错螺旋扭带换热管的传热性能进行了计算与分析,研究结果表明:换热管的对流传热强度随着扭带偏心率的增加而提高。流动阻力损失随着扭带偏心率的增加,先增加后降低,在偏心率为0. 2时,达到最大值。随着偏心率的增加,换热管的综合传热性能在Re=1000时,持续提高;在Re=10000时,先下降后提高。由此表明,在不同流动状态下,应选择不同的扭带偏心率来提高换热管综合传热性能。     

高黏介质中内插扭带对换热管换热性能影响

某石化公司炼油厂第二套常减压装置中换热器的热交换介质为高黏度的原油及其附属产品,在对流换热过程中传热系数低,动能消耗大。针对这一现状,本文设计了一种换热管内插间歇半扭带,利用计算流体力学软件Fluent对内插间歇半扭带换热管在实际工况下的换热过程进行数值模拟,与光滑管、内插连续扭带换热管进行了对比,并给出了间歇半扭带传热元件的优化设计参数。结果表明:内插间歇半扭带大幅提高了换热管内流体的努塞尔数Nu,同时也使换热管内摩擦阻力系数f增大;间歇半扭带换热管的换热效率η比内插连续扭带换热管提高8%~12%;当间歇半扭带的扭曲率y为10、连接杆长度s为345mm时,换热效率η最高,达到2.06。研究结果为该常减压装置换热器强化传热的研究提供了理论依据。     

矩形通道边缘切割V形肋换热特性研究

模拟燃气轮机叶片内部冷却方式,对比当雷诺数为30 000～80 000时,V形肋和边缘切割V形肋在不同位置的换热特性。实验通道带肋面宽度和通道高度比(宽高比W/H)为1,肋宽和通道水力直径比(阻塞比e/D)为0. 05,肋间距与肋宽比(肋间距比P/e)为10,切割宽度分别为0、2、3、4mm。结果表明边缘切割V形肋面的换热均衡性更好。     

圆管内插圆锥扭带强化传热数值模拟

提出了一种新型核心扰流元件——圆锥扭带,目的在于减小传统扭带内插件对流体所产生的过高阻力。运用Fluent进行数值模拟,分析了扭曲比为y=3.0,锥度θ分别为1∶3.6,1∶5,1∶7,1∶9的圆锥扭带在湍流状态下的流动阻力与换热性能,并与传统光滑直扭带进行了比较。模拟结果表明:圆锥扭带的努赛尔数Nu和阻力系数f比传统光滑直扭带分别减小了10%—15%和30%—50%,综合传热性能η提高10%—35%。结果表明:在较高雷诺数Re的湍流范围内,圆锥扭带在换热强化性能减小不大的情况下能够有效减小流体阻力,从而提高换热管的综合换热性能。     

不同位置转子组对组合转子强化传热性能影响

以质量分数60%甘油水溶液为管程介质,每组转子对组合转子传热和阻力特性的影响进行了实验研究。对光管性能进行了实验验证,以保证实验结果的可靠性。研究结果表明:加装L1,L3,L5型组合转子换热管的努塞尔数分别为加装L0型组合转子换热管努塞尔数的0.82倍、0.87倍以及0.73倍左右,阻力系数为0.88倍、0.9倍以及0.9倍左右。而对于综合评价因子PEC而言,加装L3型组合转子换热管的PEC大于加装L1型组合转子换热管的PEC,加装L5型组合转子换热管PEC最小。由此可得,相较于第1组转子,第5组转子对组合转子传热性能的影响最大,第3组转子的影响最小。     

换热管内置螺旋形扭带阻力与传热特性的实验研究

为了研究螺旋形扭带阻力与传热特性,选取了不同宽度（6、7和8 mm）的3种扭率（2.0、3.0、4.0）、3种螺距比（1.5、2.0、2.5）的参数组合下共27根螺旋形扭带插入换热管内进行实验.实验结果表明,插入螺旋形扭带后换热管内流动阻力和传热效果都有明显提高.通过对实验数据的多元线性回归分析,建立了相应的阻力系数和努赛尔数关联式.并且由强化传热综合性能评价分析,在实验雷诺数范围内得出强化传热综合性能评价因子φ=1.063～1.587,证明了实验研究的扭带具有强化传热的应用价值.     

内置转子套管式换热器强化传热实验

概述了转子组合式强化传热装置的强化传热和自清洁原理,通过实验研究了内置螺旋叶片转子及叶片间断型转子换热管的传热和阻力特性。实验结果表明,在相同的Re条件下,内置螺旋叶片转子换热管管内的Nusselt数高于内置叶片间断型转子换热管,阻力系数低于内置叶片间断型转子换热管,同时PEC值明显高于叶片间断型转子的PEC值,说明内置螺旋叶片转子换热管的综合性能优于叶片间断型转子。     

高低双螺旋片强化套管换热器壳侧换热

采用实验和数值模拟相结合的方法,研究了高低双螺旋片对套管换热器壳侧的强化换热效果.以仅带有高螺旋片的换热器结构为基础,研究了曲率ε分别为0.44、0.321和0.131时,Reynolds数在4000~20000范围内,低、高螺旋片高度之比l/W对壳侧换热平均Nusselt数Nu_m和流动阻力系数f的影响,考察了等泵功条件下换热器的综合传热性能.对ε=0.44的换热器研究结果表明:当l/W>1/2时双螺旋片强化传热效果显著,且研究工况中l/W=3/4时最优,此时与单一高螺旋片相比,Nu_m值平均提高了10.8%;研究范围内,综合强化传热因子PEC数在1.044~1.204.对不同曲率换热器的研究结果表明,同一l/W值下,PEC数随着曲率ε值的增大而增大,说明双螺旋片结构更适合强化曲率较大的套管换热器壳侧换热.     

变扭率扭旋叶片强化传热特性

为探究扭旋叶片的结构参数--扭率变化率Tv对管道换热的影响,以水为介质,在Tv=-5~5范围内,采用实验和数值模拟方法研究了恒壁温条件下流体的传热和阻力特性,并分析了综合传热性能及强化传热机理。结果表明,沿流动方向Tv>0的扭旋叶片安装方式强化传热效果优于Tv=0,研究范围内Tv=2.5时综合强化传热比最高,相对Tv=0平均提高5.0%。而Tv<0时强化传热效果劣于Tv=0,应避免此种叶片安装方式。扭率的变化影响了流场结构,当Tv>0时,在近1/2流动区域内绕流旋涡的涡量和影响区域明显增加,同时,在绕流旋涡流动区域,压力、速度和温度的三场协同程度得到提高,进而强化了换热管道的传热效果。     

变扭率扭旋叶片强化传热特性

为探究扭旋叶片的结构参数——扭率变化率Tv对管道换热的影响,以水为介质,在Tv=-5~5范围内,采用实验和数值模拟方法研究了恒壁温条件下流体的传热和阻力特性,并分析了综合传热性能及强化传热机理。结果表明,沿流动方向Tv0的扭旋叶片安装方式强化传热效果优于Tv=0,研究范围内Tv=2.5时综合强化传热比最高,相对Tv=0平均提高5.0%。而Tv0时强化传热效果劣于Tv=0,应避免此种叶片安装方式。扭率的变化影响了流场结构,当Tv0时,在近1/2流动区域内绕流旋涡的涡量和影响区域明显增加,同时,在绕流旋涡流动区域,压力、速度和温度的三场协同程度得到提高,进而强化了换热管道的传热效果。     

换热管内插组合扭带强化传热的实验研究

以水为介质,对换热管内插入组合扭带的强化传热进行实验研究,分析其阻力和传热特性。实验结果表明,内插入组合扭带管的流动阻力和努塞尔数都得到了提高。其中,组合扭带管的摩擦系数比开孔扭带管的平均提高了10.5%;扭带管的努塞尔数比空管的平均提高了13.01%~20.38%,此外,组合扭带管的努塞尔数比开孔扭带管的平均提高了6.52%。换热管内插入组合扭带的传热综合性能评价因子φ均大于1,最大值达到1.16,这说明了换热管内插入组合扭带后,传热性能确实得到了提高。     

换热管内置开边槽扭带的阻力与传热特性研究＊

将21种不同结构参数的铝制扭带分别置入换热管进行冷态和热态实验,研究并分析了换热管内置开三角形边槽扭带的阻力和传热特性。实验结果表明,插入开边槽扭带后管内的流动阻力和传热系数都有较大的提高。通过多元线性回归分析,得到了相应的阻力系数关联式和换热系数关联式。由强化传热性能评价分析,得到评价因子φ=1．05～1．35,证明了所研究的扭带具有强化传热的应用价值。     

弯曲内肋换热管综合换热性能的数值模拟

基于纵向涡强化换热理论提出了新型的强化换热管--弯曲内肋强化换热管。运用数值计算的方法,在Re=500～40000研究了新型强化换热管结构参数肋宽a、导程p、肋深e和Re数对Nu、f及换热性能评价指标PEC的影响,并拟合出换热管Nu、f的量纲为1关联式。结果表明:由于内肋的作用,在换热管的近壁面区域能够有效诱导产生沿纵向的涡旋结构,破坏壁面边界层,实现强化换热;导程p和肋深e对综合换热性能影响较大,肋宽a对综合换热性能影响较小,在Re=500～40000范围内,新型换热管较优的结构参数为p=10mm、e=0.6mm、a=1.8mm;与普通平滑圆管相比,当Re<2300,其换热性能Nu可达到普通圆管的2.9～7.0倍,沿程阻力系数f约为普通圆管的1.4～3.6倍;当500< Re <2300,其综合换热评价指标PEC可以达到2.6～4.6;当2300 <Re <40000时,其PEC可以达到1.2～2.3。     

内置新型双螺旋元件换热管的换热特性数值研究

基于计算流体力学软件对内置双螺旋元件换热管的流动与传热性能进行数值研究。对内置不同旋向、间隙比的平行偏心扭转双螺旋元件的换热管的流动与换热进行数值模拟,结果表明,当Re≤300时,采用旋向交替布置、中间间隙比c=0.15的双螺旋元件,换热管综合性能最好,相同条件下,换热性能相比SK型螺旋元件提高2%~21%;采用结构连续且旋向相同布置、中间间隙比c=0.15的双螺旋元件,换热管综合性能最好,换热性能相比传统单扭带提高23%~56%;相同条件下两者进行对比,采用结构连续且旋向交替布置的双螺旋元件的换热效果要更好;当Re≤300时,中间间隙比为c=0.15采用旋向交替布置比采用旋向相同布置的双螺旋元件换热性能提高5%~21%。