矩形纵向涡发生器平板强化换热的实验研究

利用热质比拟萘升华技术,在吸入式风洞中对矩形纵向涡发生器平板强化换热进行了实验研究。在雷诺数范围2.3×105~5.4×105内,通过改变涡发生器迎流冲击角β,得到强化换热的效果,并对参数进行优化。     

窄隙通道内纵向涡作用下汽泡行为可视化研究

当流体流过纵向涡发生器时,会在纵向涡发生器后产生沿纵向移动的涡旋,这些纵向涡的强烈运动,促进了主流区与传热壁面附近的流体搅混,削薄或破坏边界层,实现了强化传热。在窄间隙矩形通道内的加热板上布置矩形块的纵向涡发生器,通过正面450 mm×40 mm和侧面3 mm宽的石英玻璃可视窗内对纵向涡作用下的汽泡行为进行了可视化研究。通过分析纵向涡对单个汽泡、多个汽泡和汽泡演化作用特性的影响,表明纵向涡对汽泡产生了强烈的扰动作用,抑制了汽泡在加热板上的长大和聚集,加强了近壁区热流体和流道中央区冷流体之间质量、动量和能量的交换,对加热板表面的热边界层起到破坏和削薄作用,从而使汽液二相工况下的传热明显强化。由于纵向涡发生器作用距离远、结构简单,对平面或近似平面的窄间隙换热结构,具有良好的应用前景。     

窄间隙矩形通道沸腾传热强化判定准则研究

为了研究以水为介质的窄间隙矩形通道内发生临界热流密度(CHF)时的传热强化,构建了一个判定准则。根据窄间隙矩形通道的流道结构特点,参考圆管环状流CHF预测解析模型,得到了可以预测通道间隙厚度不小于0.5 mm的窄间隙矩形通道内发生沸腾二相流环状流时的CHF解析模型。根据汽液二相介质的特点,推导出了在沸腾二相流系统中发生CHF时的传热强化判定准则,通过分析计算表明这个判定准则是合理的。这个判定准则适用于高Re数下窄间隙矩形通道内强迫流动时发生CHF的传热强化判定。     

内插梯形扰流片的矩形通道内涡流和传热特性

利用Realizable k-ε湍流模型对带缺口的梯形扰流片进行流动和传热特性的数值模拟,研究了梯形扰流片的缺口位置及流动方式对矩形通道内流场以及传热的影响,同时通过对涡量、流线、流速分布、压力变化、湍流强度等的分析,揭示了扰流片强化传热的机理。结果表明,逆流时Nusselt数比顺流时提高了21.7%,同时摩擦因子也提高了25%。顺流时内侧缺口绕流片提高了传热系数的同时也增加了摩擦阻力,而外侧缺口的绕流片降低了传热系数同时也降低了形状阻力。研究发现较低Reynolds数下(10000相似文献   

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。     

蒸汽加热垂直矩形窄通道传热特性实验研究

以去离子水为工质,对1 400 mm×250 mm×2.75 mm的蒸汽加热垂直矩形窄通道展开沸腾传热特性实验研究。结果表明：质量流量变化对于平均传热系数的提升效果弱于入口温度的改变,窄通道内的传热机理以核态沸腾为主导因素;加热功率的提升对平均传热系数有促进作用,但是过大的干度会导致传热恶化,核态沸腾受到抑制,平均传热系数的增长受限;将实验数据与8个传热经验关系式对比,Kandlikar公式相较于其他公式的预测效果最好,并以Kandlikar公式为基础改进拟合了新的经验关系式,改进后的关系式与实验数据吻合良好,97.3%的数据预测误差在±40%以内。实验结果为板式换热器的评估和优化提供实验依据。     

竖直窄矩形通道内环状流的流动传热特性

为了研究竖直窄矩形通道内环状流的流动传热特性,建立了窄矩形通道内环状流的数学物理模型,并进行了实验验证。通过数值求解环状流的数学物理模型得到了环状流区域的压降梯度、沸腾传热系数和液膜内的速度分布。结果表明窄矩形通道内的环状流模型能够很好地预测环状流区域的压降梯度和沸腾传热系数,而且环状流液膜内速度在法向的分布是非线性的,在层流边界层区速度梯度较大。热通量和窄矩形通道的尺寸对液膜的流速有很大影响,随热通量的增加和窄矩形通道尺寸的减小液膜的流速逐渐增加,然而质量流速对液膜流速的影响较小,而且随质量流速的增加液膜的速度逐渐减小。     

三角翼纵向涡内扰管传热机理及数值模拟

基于Fluent软件对相同管径的光管、波纹管、横槽管和三角翼纵向涡内扰管的数值模型都分别采用k-e湍流模型,管内壁设定为等温边界条件,在Re=3×10~4~1.5×10~5范围内和不同流速下,对四种管内不同流速下的流体的温度场进行数值模拟,得出多组不同流速流体通过四种不同的管下的工况性能差异,通过对比多组工况的出口截面温度分布和管内流体迹线分布,结合传热机理分析比较得出三角翼内扰管和光管、波纹管、横槽管内流体的流动传热性能优劣和各自的适用场合。结果表明,纵向涡传热管和其他三种管道比较,传热性能明显提高,在Re=3×10~4~1.5×10~5的范围内,对流换热系数h较光管提高了90%以上,内置三角翼纵向涡的传热管出现大的纵向涡状的螺旋流,主流区和边界层充分混合,但压降较大。     

矩形通道内螺旋曲面肋的强化传热及其结构优化

研究换热器的矩形通道内设置螺旋面肋用来强化换热器的传热能力,利用Fluent仿真软件来数值模拟分析在不同结构参数(螺旋角度θ、迎流攻角β、肋横向间距P t、肋宽与肋纵向间距比v=b/s、排列方式)下,螺旋面肋对换热器传热性能以及通道内流体阻力的影响。采用正交试验优化设计螺旋面肋的结构参数,确定螺旋面肋的最佳结构参数,并实验测试在该结构参数下换热器的换热性能。数值模拟与实验结果表明:在Re=5 000,θ=35°,β=60°,P t=13 mm,v=0.65,排列方式为叉排时,换热器的综合换热性能最好。而且,实验测出优化型换热器的表面总换热系数K和压降Δp比普通型分别提高了65.7%和30.3%。     

垂直窄矩形通道内流动沸腾传热研究

在热虹吸条件下，实验研究了缝宽接近于气泡脱离直径型的窄矩形通道内流动沸腾的传热特性。发现其对流蒸发传热中有时处于过渡流状态。首次为对流蒸发传热系数建立了一个通用算式。还将该算式与加和模型相结合，为窄矩形通道形成了第一个完整的流动沸腾传热算法。该算法的预测值与实验数据相比，其平均绝对偏差为１４．９％。     

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。     

纵向涡发生器在管翅式换热器中的应用及优化

纵向涡发生器能够在较大幅度提升换热器换热能力的同时,较小幅度地增加其流动阻力。利用三维数值模拟的方法,详细分析和研究了纵向涡发生器对管翅式换热器传热流动的影响;并对纵向涡发生器的关键参数（攻角,数目,摆放位置）进行了优化。结果表明：纵向涡发生器的攻角为15°,采用3对矩形小翼时,管翅式换热器的空气侧换热能力的提升幅度超过了其流动阻力增加的幅度,与未采用强化措施的换热器相比,其空气侧传热系数提升了71.3%～87.6%,相应的流动阻力增加了54.4%～72%;空气侧的换热能力随着纵向涡发生器数目的增加而逐渐变大,但空气侧的局部换热能力在第5根换热管之后几乎不受涡发生器数目的影响;与纵向涡发生器的顺排布置相比,纵向涡发生器以交错叉排的方式布置时,可以在保证强化换热水平的同时,进一步减小换热器流道内的流动阻力。     

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。     

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。     

狭窄矩形通道内液固两相磨蚀特性

液固两相磨蚀研究主要集中于圆管弯头和射流工况,板式换热器等狭窄矩形通道内液固两相磨蚀特性的研究鲜见报道。在Fluent软件及其二次开发框架内构建了描述稀疏颗粒液固两相磨蚀特性的CFD-DPM-磨蚀耦合数学模型框架,研究了存在圆柱体阻挡物的狭窄矩形通道内两相流动特性和壁面磨蚀特性,揭示了壁面和固体颗粒的相互作用机制。研究结果表明：阻挡物的存在显著改变了狭窄矩形通道壁面的磨蚀行为;磨蚀速率随液固流速和壁面粗糙度的增加而增加,因此,保证设备较低的入口流速和壁面粗糙度对延长设备寿命至关重要;磨蚀速率随颗粒粒径的增加先增加后降低,在60μm左右时达到极大值;球形度系数对磨蚀行为影响较小。引入量纲为1颗粒尺寸,阐述了液相边界层束缚颗粒运动的作用机制;与光滑壁面工况相比,颗粒以较大能量高频撞击粗糙壁面,导致了壁面磨蚀较快。液固两相以较低的角度和速度撞击壁面,壁面材料去除机理以微切削为主。