射流式涡发生器强化矩形螺旋通道内流体换热机理

提出利用射流式涡流发生器(JVG)强化螺旋通道内流体的换热。采用三维激光多普勒测速仪(LDV)测量了曲率为0.134并安装了JVG的矩形截面螺旋通道内流体的流动特性,实验结果与数值模拟结果吻合较好。获得了安装JVG的螺旋通道内复合二次涡旋的演变规律以及射流在螺旋通道内的衰减过程。结果表明,射流的冲击和卷吸作用改变了单一螺旋通道内背离壁面(common-flow-up, CFU)结构的离心二次涡旋,在射流的起始段形成了一对冲向壁面(common-flow-down, CFD)结构的二次涡旋。随着流动的发展,CFD涡旋经历了快速形成、缓慢分解并逐渐耗散的过程。射流速比ε_j在1.48～4.02范围内时,射流在螺旋通道内沿主流方向的作用距离可达40d_h～74d_h(d_h为螺旋通道当量直径)。射流提高了通道换热壁面附近处速度场与温度场的协同性,实现了换热强化。研究范围内,换热壁面平均Nusselt数的最大值相对于单一螺旋通道提高了28%～248%。     

翼型涡发生器对半圆形螺旋通道的换热强化机理

为考察不同形状和布置方式的翼型涡发生器强化半圆形截面螺旋通道的换热特性,对单一以及安装了jxjs、jxjk、sjjs和sjjk 4种涡发生器的螺旋通道内流动与换热特性进行了数值研究,数值模拟结果与实验结果吻合较好。结果表明,研究范围内涡发生器前后180°范围内的换热壁面平均Nusselt数与单一通道的相应值之比的平均值在1.044~1.074之间,流动阻力系数f/f0在1.105~1.188之间。对传热效果而言,矩形翼优于三角形翼,对翼渐缩布置优于渐扩布置。涡发生器产生的纵向脱落涡旋改变了原有的二次流场结构,改善了速度场和温度场的协同性,强化了传热。安装jxjs和sjjs型涡发生器的复合二次流场分别为4涡和2个大涡结构,Re=8000时两者在通道内强化换热作用范围分别可达10.47和12.56倍翼高的距离。     

安装涡发生器的矩形截面螺旋通道内流体流动

对安装三角翼型涡发生器的曲率为0.05的矩形截面螺旋通道内的流场进行了实验测量,并将测量值与模拟值进行比较,二者吻合较好。利用数值模拟方法研究了矩形截面螺旋通道内涡量的演变过程,研究了曲率及Reynolds数对涡发生器有效作用距离的影响。结果表明,安装三角翼型涡发生器后,矩形截面内靠近内壁处新出现了两个common-flow-down型的二次涡,新出现的额外涡量的极值为原有涡量的2.0~2.8倍。Reynolds数越大,曲率越小,涡发生器的有效作用距离越长。当曲率为0.05,迎流角为10°,Reynolds数为5370时,其值可达翼高的79倍。     

射流冲击纳米流体对半圆形螺旋通道传热特性的影响

为提高管式反应器外半圆形螺旋通道的换热效果,在传统螺旋通道壁面上设置了射流入口,采用三种纳米流体(Cu O-H₂O、Al₂O₃-H₂O和Ti O₂-H₂O)作为传热流体,基于Mixture混合模型探究了不同纳米流体在不同Re=10000～36000、不同射速比下对半圆形螺旋通道换热和流动特性的影响规律,并利用传热强化因子PEC_j0和PEC_j分别评价了半圆形螺旋通道增加射流前后的综合强化传热性能。研究结果表明：在射速比ε=0～5时,Al₂O₃-H₂O纳米流体的压降最大,Cu O-H₂O纳米流体的压降最小。在ε=0时Al₂O₃-H₂O纳米流体的传热效果最好,其平均Nu数是H₂O的1.31倍。与ε=0相比,在ε=1～5工况下,螺旋通道平均Nu     

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。     

对翼几何参数对半圆螺旋通道内流体流动特性的影响

为了深入考察渐缩方式布置的三角对翼几何参数对半圆截面螺旋通道内流体流动特性与涡旋特性的影响,采用实验和数值模拟方法进行了研究.通道曲率δ在0.05～0.125之间,其中δ=0.067通道内三维速度场的模拟结果与激光多普勒测速仪测量结果吻合较好.结果 表明,对翼诱导产生的纵向涡旋螺旋发展并强化离心涡旋,雷诺数Re越大,复...     

螺旋套管换热器壳程流体湍流换热热力性能数值研究

利用计算流体力学软件对内管为螺纹管的螺旋套管换热器壳程流体的湍流流动和换热性能进行了数值模拟。通过与内管为光管的研究结果对比,揭示了内管为螺纹管时壳程流体的速度场和温度场分布,研究了雷诺数、槽高对壳程流体湍流流动及换热性能的影响,并利用场协同原理初步揭示了螺纹复合螺旋流动强化流体换热的机理。结果表明,螺纹内管的螺纹凸起对螺旋套管换热器壳程流体的扰流和导流作用明显,在研究范围内(Re=10000～24000),内管为螺纹管的螺旋套管换热器壳程流体的传热效率较内管为光管的模型最大提高了22.1%;结构参数相同时,随着Re增大,螺旋套管换热器壳程流体的Nu逐渐增大,阻力系数f逐渐减小,综合评价因子Ψ逐渐减小,在研究范围内,Nu最大增加了85.6,f最大减少了0.008,Ψ从1.35减小至1.18。当Re一定时,当量高度h’增大,f逐渐增大,Nu先增大后减小。由场协同原理分析得出,h’=0.220时,在螺纹凸起扰流和导流的作用下壳程流体的温度场与速度场协同性能较好,综合评价因子Ψ最大,螺纹的优化当量高度h’宜取约0.220。     

涡发生器与螺旋片强化不同曲率的壳侧传热

为考察涡发生器与螺旋片对不同曲率的套管式换热器壳侧的传热强化效果,在不同中径的壳侧安装了相同密度的螺旋片和三角翼型涡发生器。以空气为介质,在Re=680～16000范围内,采用实验和数值模拟方法研究了壳侧的传热和阻力特性,考察了不同曲率下复合强化的壳侧的综合性能,分析了传热强化机理。结果表明,曲率越大,壳侧传热系数越高,摩擦因数越大。对曲率分别为0.131、0.321和0.440的3种换热器壳侧,涡发生器将其传热系数平均提高了31.52%、20.83%和18.33%。小曲率和复合强化的壳侧综合性能更好。涡发生器改变了换热器壳侧的流场结构,提高了速度场和温度场之间的协同性,从而提高了换热器壳侧的传热效果。     

纵向涡强化圆管内换热的数值模拟及性能分析

对布置有涡发生器小翼对的圆管内部湍流流动和强化传热特性进行了三维数值模拟。研究了涡发生器的形状和对数对流动传热特性的影响并采用综合性能指标进行优化。结果表明：涡发生器后横截面上产生的多纵向涡结构使管内流体混合更加充分,促进了壁面边界层与主流的动量和能量交换,提高了传热强度。每排4对矩形小翼时的换热性能最好,Nusselt数比光管平均提高了27.2%。相同形状下,每排4对涡发生器的综合性能均高于每排3对;相同对数下,梯形小翼的综合性能最好,三角形小翼次之,矩形小翼最差。每排4对梯形小翼时的整体综合性能最优,性能评价标准达到了0.97～1.07。     

不同位置射流强化螺旋通道传热性能分析

为了进一步提高并更合理评价射流强化螺旋通道内流体换热的综合性能,改进了射流管的安装位置并提出新的强化传热评价指标。采用实验和数值模拟对比研究了在圆形截面螺旋通道的内侧壁面和外侧壁面分别施加射流的强化传热效果。数值模拟结果与实验测量结果吻合较好。基于相同质量流量,探究了射流入射角度α以及射流与主流质量流量比ε_jm对强化传热特性的影响。考虑射流带来的附加功耗增加,提出以热功系数比(hpc)为评价指标对比分析了综合强化传热效果。结果表明,在α=30°～80°、ε_jm=0.1～1.5的研究范围内,与外侧壁面施加的射流相比,内侧壁面施加的射流对流体扰动更强,传热增强效果更好,同时消耗总功耗更小。当ε_jm=0.5、α=60°时,射流对螺旋通道的综合强化传热效果最佳,内侧、外侧壁面射流下的hpc最高值分别为1.39和1.32。     

矩形截面高宽比对射流强化螺旋通道传热性能的影响

为了进一步探究具有不同截面高宽比的单一螺旋通道内流体湍流流动与换热特性以及射流对矩形截面螺旋通道的强化传热效果,采用计算流体动力学软件模拟研究了高宽比γ分别为0.625, 1.1, 1.6和2.5时,单一矩形螺旋通道及射流作用下螺旋通道内的湍流流场、二次流场及强化换热特性。结果表明,对于单一矩形螺旋通道,相同横截面积和流量时,仅当γ≥1.6的通道在高雷诺数下二次流会出现四涡结构,其余为两涡结构。对于单一螺旋通道,γ值越大流动阻力越小,同时换热性能越差。加入射流后,矩形截面四个壁面的换热能力均有提高,γ值越大射流的强化传热效果越显著,研究范围内局部壁面换热努塞尔数的平均值(Nulocal)m最高可为单一螺旋通道的2.51倍。考虑流量增加的影响,射流影响下的螺旋通道区域内综合强化传热因子PEC2在1.05~1.21之间。     

小尺度涡流发生器强化传热的数值模拟

采用数值模拟方法,对布置有不同高度小尺度涡流发生器的矩形槽道,在Re=4000～10000的范围内进行了模拟计算。结果表明,小尺度涡流发生器由于其高度的不同引起对流换热和压差的变化,分析了小尺度涡流发生器所诱导的流向涡和展向涡对强化传热影响的内在机理,并对所产生的涡旋对槽道中压力分布的变化进行了分析。采用一种综合考虑对流换热和流动阻力的评价标准对不同高度小尺度涡流发生器的传热和流阻特性进行对比评价。     

涡产生器翼高对管翅式换热器流动与传热的影响

采用数值模拟方法分析了三角形小翼式涡产生器翼高分别为1.5、1.75和2.0 mm时对圆管管翅式换热器空气侧传热及纵向涡强度的影响。结果表明：在相同Re下,随着翼高的增加,Nu、阻力系数 f 以及量纲1二次流强度Se_m都增大;所研究各模型的Se_m与Nu呈唯一对应关系,并且获得了Se_m与Nu的定量关系;以强化传热因子JF作为评价准则,得出翼高为1.75 mm时能够使换热器获得较优的综合强化传热效果。     

有序涡旋对三角槽道脉动流强化传热的影响

以水为工质对三角槽道内单相液体充分发展层流脉动传热特性进行了研究。应用粒子图像测速技术（PIV）测得流场内涡的变化规律,从“涡及涡运动”的角度揭示了“有序”的涡生长及迁移过程对脉动流强化传热的影响。此外,应用“场协同”理论,通过数值模拟深入分析了流场特性与传热之间的关系。研究发现,“有序”的涡生长及迁移过程,破坏了流体边界层,促进了近壁区热流场与速度场的协同,同时,强化了三角槽道内流体与主流区流体的掺混,热量输运能力提升;存在最佳的Strouhal数（St）,使得涡旋既能充分发展又能在较短时间脱落进入主流,实现最大效率的壁面换热;有序涡旋对速度场、温度梯度场以及压力梯度场三者协同性的改善是换热性能提升的关键。     

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。     

几种翼型涡流发生器对CaCO3污垢特性影响的数值模拟

为研究翼型涡流发生器结构以及布置对换热面污垢的影响,对矩形通道内布置翼型涡流发生器后壁面CaCO₃析晶污垢的沉积进行了模拟。计算并分析了在温度为50℃,流速为0.2 m·s^-1,浓度为1000 mg·L^-1的CaCO₃过饱和溶液下,翼形涡流发生器的翼型、攻角和纵向间距等几何因素对表面污垢沉积的影响。结果表明:表面单位面积结垢量随着翼型涡流发生器攻角的增大而减小,随着涡流发生器列间距的增大而增大,当间距为60 mm时达到最大,超过60 mm后表面单位面积结垢量呈现下降趋势。