方形微通道内超临界CO2流动换热特性研究

采用SST k-ω湍流模型对加热条件下超临界CO₂在方形微通道内的流动换热特性进行了数值模拟。通过对比三种壁面平均传热系数、浮升力参数和二次流强度的沿程变化研究了管型、热通量、质量流量和倾斜角度对微通道内流动换热性能的影响。结果表明：水平方形微通道的整体换热性能优于相同水力直径的半圆形微通道。流体域典型截面的温度分布、速度分布和湍动能分布等信息可以很好地解释水平方向流动时上、下壁面传热差异的现象。减小热通量、增大质量流量或减小流体流动方向与重力方向之间的夹角,可提高方形微通道的整体换热水平。该模拟结果对以超临界CO₂为工质的微通道换热器的设计和优化具有一定的理论指导意义。     

U形圆管中超临界压力RP-3航空煤油换热数值研究

基于航空发动机空-油换热器的冷却换热问题,开展了竖直U形圆管内超临界压力RP-3航空煤油换热的数值研究。探究了进口竖直段、弯管段、出口竖直段的换热特征和换热机理,阐述了运行压力和热质比对换热的影响机制。结果表明：进口竖直段呈现均匀换热的特征。弯管段离心力作用致使流体温度出现异常分层,周向密度不均匀,横向不平衡动能诱发强二次流问题,最大二次流速度达到0.45 m·s^-1。固体热传导过程也受到影响,出现固体温度异常分层。两者综合作用下导致管壁温度和热通量的周向差别。出口竖直段的周向换热差别依然存在,二次流被削弱。提高运行压力或降低热质比,管截面热物性变化趋缓,周向换热差别减弱。     

低质量流速下超临界CO2在管内冷却换热特性

开展了低质量流速下超临界CO₂在水平直管内冷却过程的换热特性的实验研究。实验压力为p=7.5~9.0 MPa,质量流速为G=79.6~358.1 kg·m^-2·s^-1,流体温度为25.0~50.0℃。分析了质量流速、压力、流体温度对换热的影响,并引入Richardson数阐述浮升力对超临界CO₂在水平直管内冷却换热影响。实验结果表明: 传热系数随着质量流速的增加而增大。传热系数峰值点随压力的升高向高温区偏移。当质量流速较小时,传热系数峰值点出现在准临界温度之前,且浮升力作用加大,流体处于混合对流状态。将传热系数的实验值和已有的换热关联式计算值作对比后发现在低质量流速下误差较大,拟合了低质量流速工况的超临界CO₂在水平直管内冷却换热的关联式,94%的实验值和拟合关联式误差在±20%范围内。     

亚临界和超临界压力下液态正癸烷比定压热容实验研究

为了准确测量液态正癸烷的比定压热容,采用流动型绝热量热法,搭建了一套适用于亚临界和超临界压力下的流体比定压热容测量系统。对温度为311~570 K、压力为0.12~6.02 MPa的正癸烷比定压热容进行测量,结果表明比定压热容随温度的升高而增加,但压力对正癸烷的比定压热容影响较小,并将实验值与文献值进行对比,结果表明两者的最大相对偏差在5.0%以内,平均相对偏差在1.39%以内。将实验值与Guseinov模型和Garg模型两种经验模型进行对比,并在两种经验模型的基础上,提出改进后的比定压热容模型。改进后的模型精度较高,其最大绝对偏差为1.32%,平均相对偏差为0.53%,可为其他碳氢燃料的比定压热容的推算提供基础和参考依据。     

垂直上升管内超临界二氧化碳传热恶化机理分析

超临界二氧化碳(SCO₂)流动传热过程中会发生传热恶化现象,领域内对该现象产生的机理仍存在较大争议。针对现有提出的四类不同的传热恶化机理,通过数值模拟研究,分析在不同工况下内径为5 mm的垂直上升管流动传热过程,从微观层面探究传热恶化机理。研究结果表明,四类机理观点中浮升力效应能更好地解释传热恶化现象,其他三类均具有一定的局限性。SCO₂传热恶化现象主要由密度变化引起的浮升力效应导致,当前工况下忽略重力影响时,传热恶化消失。浮升力效应通过改变内部流场的湍流结构,降低了湍动能的产生(层流化),湍流热扩散作用削弱使得传热效率下降,导致了传热恶化现象。研究结果对于SCO₂传热恶化的理论研究和预测关联式具有一定的指导意义。     

高热流低流速条件下超临界CO2在小圆管内的对流传热特性

为获取高热流、低流速条件下超临界CO₂的传热规律，开展了超临界CO₂在内径2 mm水平小圆管内对流传热试验研究，并重点探讨了变物性、浮升力和热加速等效应对传热过程的影响。试验参数范围：系统压力7.6~8.4 MPa，质量流速400~500 kg/(m²?s)，热通量0~200 kW/m²，流体温度20~60℃，Reynolds数1.2×10⁴~4.3×10⁴。分别采用Gr/Re ²和Kv作为浮升力效应和热加速效应的判别因子。结果显示，在高热流低流速工况下，浮升力效应显著（Gr/Re ² > 10^-3），同一个截面处的上壁面传热系数始终小于下壁面传热系数。浮升力效应是高热流低流速工况下传热恶化的主要诱发因素。试验中热加速因子较小（Kv < 8.5×10^-7），其效应可以忽略。将试验数据与典型的传热经验关联式作对比，结果表明Liao-Zhao关联式的计算结果与试验结果最吻合。     

超临界压力正癸烷在螺旋管中传热与裂解吸热现象的数值模拟

探讨了正癸烷的裂解吸热反应对流动、传热和化学组分分布的影响。结果表明,由于裂解吸热反应把加热热量转换成了燃料分子的化学能,与未考虑热裂解的计算结果相比,考虑裂解反应时出口处流体平均温度降低了约50 K,壁面温度降低了约70 K,对流传热系数提高了10%左右。这一方面是因为裂解引起的密度降低、轴向速度增加,另一方面是由于裂解反应提高了螺旋管截面的径向速度,加强了二次流动,增加了壁面湍动能。正癸烷在内侧温度较高的区域裂解度较高,因此螺旋管内侧温度降低,环向温度分布变均匀;裂解度越大,环向温度分布越均匀。与热结焦有关的烯烃类裂解产物C₂H₄,C₃H₆在温度较高的内侧质量分数较大,表明结焦更可能发生在螺旋管的内侧。     

超临界压力下CO2在螺旋管内的混合对流换热

在恒热流条件下,对超临界压力CO₂在内径为9 mm,绕径为283 mm,节距为32 mm的螺旋管内垂直上升混合对流的传热特性进行了实验研究,实验参数范围为:进口压力8 MPa、质量流速0～650 kg·m^-2·s^-1、内壁热负荷0～50 kW·m^-2。研究发现:受热螺旋管内超临界压力CO₂的壁温及传热特性由变物性、浮升力及离心力的耦合作用共同支配,变物性及浮升力影响的相对大小可用Buoyancy数定性表征,当Bo>8×10^-7时,自然对流占主导作用,浮升力作用引起强烈的二次流效应,显著强化传热;在浮升力和离心力共同作用下,截面周向温度最低点出现在外下侧区域,且当浮升力作用占优时,底部区域的传热系数大于外侧,当离心力作用占优时,底部区域的传热系数小于外侧。基于本实验获取的2346个数据点,得出了计算Nu实验关联式,90%以上的实验值与拟合公式计算值偏差在±20%以内。     

超临界二氧化碳传热特性的研究

超临界流体是新兴的化工技术之一,其传热特性是其工程应用研究的重要方向。由于在超临界压力条件下流体的热物性随温度和压力的变化比在亚临界压力条件下更加剧烈,相应的传热与传质过程也更加复杂,这对改善化学工程上传统的传质、传热过程具有重要意义。     

圆管内超临界CO2的阻力特性

对超临界二氧化碳在圆管内流动时的压降和摩擦系数进行了实验研究。实验段长为2000 mm,内径为10 mm。该实验压力范围为8～16 MPa,质量流量范围为1000～1525 kg·m^-2·s^-1,内壁热通量范围为96.5～283.2 kW·m^-2。得到了不同工况下竖直圆管内流动阻力的变化规律,分析了压力、质量流速、主流焓值和热通量对圆管内摩擦阻力的影响。实验结果表明摩擦压降随着质量流量和压力的增加而显著增加,特别是当主流焓值超过拟临界焓值后,其增加的速度变得更加剧烈,同时发现热通量对摩擦压降的影响较小。对于预测常物性摩擦因子的经验关联式并不能预测超临界CO₂的摩擦因子。因此提出了一个新的经验关联式,其实验数据在±20%误差范围内占83.31%。     

非均匀受热条件下螺旋管内流动沸腾换热特性

目前对螺旋管在其管外表面均匀受热,管内两相流动换热的研究已十分丰富;但是在其管外表面非均匀受热条件下,管内两相流动沸腾换热特性的研究鲜有报道。为了解决螺旋管在实际运用中遇到的非均匀受热问题、得到其换热特性,本文采用了实验的方法研究了卧式螺旋管周向非均匀受热条件下管内流动沸腾换热特性。其中实验工况范围为系统压力P=0.7~1.0MPa,质量流速G=181~364kg/(m²·s),质量干度χ=0.07~0.69。实验考察了螺旋管管外壁在两种非均匀受热条件下管内的两相流动沸腾换热系数与热流密度、质量流速、质量干度的关系,并与管周向均匀受热工况进行了比较。结果表明,在螺旋管外壁面“外半周绝热、内半周受热”情况下管内流动沸腾换热系数值最大,而管外壁面“内半周绝热、外半周受热”情况下最小。     

超临界CO2在水平螺旋管内的冷却换热特性

采用数值模拟和实验结合的方法研究超临界CO₂在水平冷却螺旋管内的换热特性。研究了质量流量、热通量及压力对传热系数的影响,并比较了直管和螺旋管在加热和冷却条件下的换热特性。结果表明,与直管相比,螺旋管对换热的强化作用随着质量流量的减小和压力的增加而增加。在相同热通量条件下,螺旋管的冷却换热的传热系数比加热的传热系数高,且由于浮升力的影响,加热条件下传热系数存在较大的振荡。     

超临界二氧化碳在微细管内的换热特性

建立了内径为1.31 mm单管的三维模型,使用CFD软件Fluent分析了超临界二氧化碳在竖直微细管道内的换热特性,并对热通量、进口质量流速、流动方向和压力对超临界二氧化碳换热和压降的影响进行了研究。数值结果表明：增加进口质量流量能够使壁面边界层减薄,增强换热效果。改变热通量的大小对超临界二氧化碳换热和压降影响很小。由于重力和浮升力的影响,流动方向对换热性能的影响较大,流体竖直向上流动时的传热系数大于竖直向下和水平方向流动时的传热系数。     

压力瞬态下超临界压力CO2的传热特性

在均匀加热条件下,开展超临界压力二氧化碳在压力瞬态下的传热特性实验研究。实验段内径为10.0mm,实验参数范围：压力P=7.58~9.97MPa,热流密度q _w=64~256kW/m²,质量流速G=660~893kg/(m²·s)。分析了正常传热和传热恶化条件下,瞬间泄压过程对传热的影响规律。实验结果表明,正常传热工况下,壁温随着压力的减小有降低的趋势,传热系数明显增大;传热恶化发生后壁温迅速上升,对应的传热系数减小传热恶化更加严重,且恶化壁温峰值点向着入口方向移动。最后对实验现象进行了解释,正常传热下壁温降低是由于压力的降低增大了比热容,从而改善了传热。传热恶化发生后,压力的降低减小了拟临界焓值i _pc,从而增大了超临界沸腾数SBO,更大的SBO表明膨胀动量力占主导,靠近壁面低密度的vapor-like fluid在不断向外膨胀,从而使得低密度层流体的厚度增加,从而加大了传热热阻,这时壁温升高或者出现更大的恶化。     

垂直上升管内超临界CO2 流动传热特性研究

在压力为7.5～21 MPa，热通量为50～413 kW·m^-2，质量流速为519～1500 kg·m^-2·s^-1的实验参数范围内，对超临界CO₂在内径为10.0 mm的垂直上升管内的流动传热特性进行了均匀加热条件实验研究。分析了热通量、压力和浮升力对圆管内传热特性的影响规律。实验结果表明：随着热通量的增加，传热出现恶化现象，并且随着热通量的增加壁温峰值点向入口段移动。传热恶化发生在流体温度小于拟临界温度而壁面温度大于拟临界温度附近。增大压力时由于物性的变化趋于平缓，传热恶化被抑制。当传热恶化发生时，浮升力对传热恶化有明显的影响。基于实验数据，综合考虑物性变化和浮升力对传热的影响，建立了新的超临界二氧化碳传热关联式，在实验工况范围内，预测值与实验值的平均偏差和标准差分别为1.2%和16.29%。     

超临界压力水在垂直上升内螺纹管中的传热特性

在压力22.5～30 MPa,质量流速430～1200 kg·m^-2·s^-1,内壁热负荷284～719 kW·m^-2范围内,对超临界压力水在均匀加热垂直上升内螺纹管内的传热特性进行了实验研究,得到了内螺纹管内超临界压力水的传热特性,分析了压力、热负荷和质量流速变化对内螺纹管壁温及传热系数的影响,探讨了拟临界区的传热机理,并给出了能用于工程实际的传热实验关联式。实验结果表明：垂直上升内螺纹管中超临界水具有良好的传热特性。在低焓值区内螺纹管壁温随焓增平缓增加,而在高焓值区壁温随焓增的升高明显。由于热物性的剧烈变化,超临界水在拟临界焓值区发生了明显的传热强化。压力与热负荷的增大以及质量流速的减小均会导致内螺纹管壁温的升高和传热系数的减小,使得传热强化现象削弱,甚至出现传热恶化。