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     

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。     

射流强化螺旋通道内流体流动与换热的数值模拟

采用CFD软件模拟了射流作用下圆形截面螺旋通道内流体的流动及强化传热特性,模拟结果与实验结果吻合较好。研究了无量纲曲率?=0.061、无量纲螺距?=0.121的螺旋通道内复合涡旋结构及其演变过程,考察了射流入射角度?=π/6~π/3、射流速比?j=3~6时射流对螺旋通道换热的强化效果。结果表明,射流的初始阶段,射流的冲击作用抑制了单一螺旋通道内的离心二次涡旋,生成一对与其旋转方向相反的射流诱导涡旋,随流动发展,射流诱导涡旋先由两涡演变为单涡结构而后逐渐耗散消失。射流作用显著强化了螺旋通道内侧壁面附近流体的换热,随着?减小或?j增大,强化传热效果增强。?j≥4时,不考虑射流流量增加时综合强化传热因子JF1=1.26~1.67,考虑射流流量增加时JF2=1.008~1.19。     

三角对翼和圆柱组合强化螺旋通道换热的数值研究

本文旨在研究三角对翼和柱形涡发生器组合后强化矩形螺旋通道内流体换热的特性。采用CFD模拟的方法分析了对翼攻角α、无量纲参数高度h_i'对螺旋通道内流体流动和换热的影响。结果表明:三角翼采用下降流型布置时,在柱后θ=10°的截面上二次流呈四涡结构,加速尾迹区与主流流体的混合,强化了传热;在所研究范围内,α增大,组合涡发生器强化传热效果先增大后减小,在攻角α=30°时强化传热效果最优;其它参数相同时,三角翼h_i'增大,螺旋通道的Nu和阻力系数f均增大,但综合因子G减小。     

不同倾角螺旋叶片转子综合传热性能数值模拟

对叶片倾角在30°～60°之间的7种开槽螺旋叶片转子的湍流流动与传热特性进行了数值模拟研究。数值模拟采用RNG 湍流模型,采用SIMPLE算法进行速度和压力的耦合,对管内壁面采用强化壁面处理法。选取管程入口流量为2.6 m3/h时管程中部截面的速度场、温度场和湍流强度进行了分析,结果表明,开槽螺旋叶片转子可在换热管内引起旋流,增强管内流体湍动,促进对流传热。考虑转子引起传热和阻力两方面因素,采用综合评价指标PEC对7种不同倾角转子进行比较,叶片倾角为60°的开槽螺旋叶片转子具有较好的综合传热性能。     

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%。     

组合涡发生器强化螺旋通道换热的数值研究

旨在研究B形翼和柱形涡发生器组合后强化矩形螺旋通道内流体换热的特性。采用CFD模拟的方法分析了量纲一曲率κ、B形翼攻角α对螺旋通道内流体流动和换热的影响,并利用综合强化因子G表征组合涡发生器的综合强化效果。结果表明:B形翼改变了柱后二次流的结构,在柱后截面的中心区域形成一对方向相反的附加涡,减小了柱后尾迹区的尺寸,增大了柱后流体的温度梯度,强化了传热;在所研究范围内,α增大,组合涡发生器强化传热效果先增大后减小,在攻角α=40°—45°时强化传热效果最优;α一定,κ值越小,组合涡发生器的强化效果越好,相对于只有柱时,其Nu提高了56.45%—69.08%,G提高了24%—37%。     

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。     

螺旋套管式换热器螺纹强化管程传热研究

基于实际工程应用,采用CFD软件,建立了内管为螺纹管的新型螺旋套管式换热器的三维实体模型,并使用管程流体与壳程流体耦合计算的方法进行模拟计算,重点分析了螺纹槽高和槽距等结构参数对管程流体流动与传热特性的影响。结果表明：螺纹的扰流和导流作用,改变了管程螺旋通道横截面上的二次流结构,除在横截面外侧区域形成一个不规则主涡外,还在截面内侧区域的近螺纹处产生了大小不一的附加涡旋。主涡和附加涡共同作用加剧了壁面和中心区流体的热质交换,强化了换热效果。在研究范围内（Re=8 000～40 000）,螺旋套管式换热器内管采用螺纹管与内管采用光管相比换热效果提高了约36%～143%。螺纹槽高及槽距对管程流体传热影响较大,Nu和f随槽高的增加而增加,随槽距的增大而减小。     

小管径-粒径比颗粒无序堆积通道内壁面效应数值研究

采用DEM-CFD方法对小管径-粒径比颗粒无序堆积通道内壁面效应进行了数值研究。针对D/d_p=5.0圆球无序堆积通道构建了光滑壁面和波节壁面两种通道壁面结构,分析了不同壁面结构堆积通道内孔隙率分布、流动和温度场分布及其流动换热性能。结果表明：小管径-粒径比光滑壁面颗粒无序堆积通道内壁面效应显著,壁面附近平均流速明显高于堆积中心区域,而平均温度要低于堆积中心区域,壁面附近0.5d_p区域内通过的流体质量流量比例为46%;波节壁面结构抑制了通道壁面附近漏流,可小幅提高堆积通道的换热能力,但堆积通道内的流动阻力也随之增大,其综合换热性能较光滑壁面堆积通道有所下降。     

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.     

Particle collision behavior and heat transfer performance in a Na2SO4 circulating fluidized bed evaporator

The particle collision behavior and heat transfer performance are investigated to reveal the heat transfer enhancement and fouling prevention mechanism in a Na₂SO₄ circulating fluidized bed evaporator. The particle collision signals are analyzed with standard deviation by varying the amount of added particles ε (1%–3%), circulation flow velocity u (0.37–1.78 m·s^-1), and heat flux q (7.29–12.14 kW·m^-2). The results show that the enhancement factor reach up to 14.6% by adding polytetrafluoroethylene particles at ε = 3%, u = 1.78 m·s^-1, and q = 7.29 kW·m^-2. Both the standard deviation of the particle collision signal and enhancement factor increase with the increase in the amount of added particles. The standard deviation increases with the increase in circulation flow velocity; however, the enhancement factor initially decreases and then increases. The standard deviation slightly decreases with the increase in heat flux at low circulation flow velocity, but initially increases and then decreases at high circulation flow velocity. The enhancement factor decreases with the increase in heat flux. The enhancement factor in Na₂SO₄ solution is superior to that in water at high amount of added particles. The empirical correlation for heat transfer is established, and the model results agree well with the experimental data.     

CFD simulation on shell-and-tube heat exchangers with small-angle helical baffles

Shell-and-tube heat exchanger with helical baffles is superior to that with segmental baffles in reducing pressure drop, eliminating dead zone and lowering the risks of vibration of tube bundle. This paper focused on the small-angle helical baffles that have been merely reported in open literature. These baffles are noncontinuous helical baffles with a helix angle of 10° to 30°, and their shapes are 1/4 ellipse, 1/4 sector and 1/3 sector. To assess the integrative performance, α/?p is employed, and the calculated results show that among the three baffle shapes the heat exchangers with a 1/4 sector helical baffle have the lowest pressure drop. At β = 10° and 20°, 1/4 sector helical baffle heat exchangers show the best integrative performance; at β = 30°, 1/4 ellipse and 1/4 sector helical baffle heat exchangers perform almost the same. For the study of helix angles, we found that 30° has the best integrative performance at low mass flow rate, almost the same as 20° at high mass flow rate.     

相变套管式储热系统放冷性能实验研究

搭建了套管式相变储热实验系统,分别填充不同质量分数膨胀石墨与正十五烷制备而成的复合相变材料,对系统进行重复充放冷循环实验。采用有效储热比E_st和储能效率ε来表征系统性能,研究了复合相变材料中换热增强对套管式潜热储能系统放冷性能的影响。结果表明：同Re数下,相变材料热导率为0.14 W·m^-1·K^-1（工况A）放冷结束时间为1770 s,相同Re条件下热导率提升至7.10 W·m^-1·K^-1（工况B）和11.60 W·m^-1·K^-1（工况C）的结束时间分别可缩短77.3%、78.9%;热导率的增加可显著提高系统有效储热比E_st和储能效率ε,热导率从0.14 W·m^-1·K^-1增加到11.60 W·m^-1·K^-1,E_st在层流区、过渡区和湍流区分别可提升33.3%、350.0%及129.6%,ε分别可提升26.8%、52.9%及14.6%;Re的增加使得工况A和工况B中E_st和ε呈现下降趋势,工况C中E_st在Re=4298出现峰值1.62。     

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。     

Natural convection heat transfer enhancement of different nanofluids by adding dimple fins on a vertical channel wall

In this numerical study, natural flow and heat transfer of nanofluids with Al_2O_3, TiO_2, Cu and CNT nanoparticles in a vertical channel with dimpled fins at Rayleigh number(Ra) of Ra = 3.25 × 10~7 to Ra = 1 × 10~8 are investigated by using the finite volume method. The obtained results revealed that, using CNT in volume fractions of 2% and 4%leads to significant heat transfer and at φ = 6%, using TiO_2 nanoparticles has a great effect on Nu number enhancement. Also, using solid nanoparticles in base fluid causes more uniform heat transfer distribution,especially in areas close to heated surface and by adding more volume fraction in base fluid, temperature level reduces. In general, according to temperature contours, reduction of wall temperature depends on the increase of Ra and volume fraction and the type of solid nanoparticles.     

高温内压环境下聚乙烯燃气管道老化性能评价研究

将一批聚乙烯燃气管道试样置于80 ℃、1.1 MPa水浴环境下进行老化试验，老化时间分别为0、165、500、1 000 h，并通过差示扫描量热法（DSC）、热失重分析（TG）、傅里叶变换红外光谱分析（FTIR）和拉伸试验分别测试各老化试样对应的氧化诱导时间（等温OIT）、热分解温度（T_s）、官能团组成和断裂伸长率（ε），模拟分析高温内压环境下聚乙烯管道的老化性能变化规律。DSC、TG和拉伸试验结果显示，随着老化时间增加，聚乙烯管道的等温OIT、T_s和ε都逐渐降低，老化程度逐渐增加，并且管内壁的老化速率明显大于外壁；FTIR结果显示，随着老化时间增加，聚乙烯管材料的官能团谱图中1 720 cm^-1和3 400 cm^-1处分别出现了C=O和O—H的振荡峰，进一步证实了聚乙烯管材料分子链中引入了氧化反应产物。     

循环射流混合槽内液液两相混合特性数值模拟

循环射流混合槽作为一种高效的混合装置在化工过程强化处理技术中具有潜在的工业应用前景。由于缺乏对其内多相体系流动和混合行为的研究,制约了循环射流混合反应器的优化设计与工业化应用。本文选取水和二甲基硅油两相体系,采用计算流体力学软件ANSYS Fluent V16.1中Eulerian-Eulerian多相流模型和SST k-?湍流模型,对两种不同加料方式下循环射流混合槽内液液两相射流中心线速度、离析强度、拉伸率等参数进行研究。研究结果表明：分散相浓度（α_d）增大射流卷吸能耗增大,在l/s<0.4内α_d=1.80%和2.86%量纲为1的射流中心线速度衰减趋势与α_d=6.00%相比减弱51%和21%;在低分散相浓度时,量纲为1的射流中心线速度随Re的增大衰减趋势变化小,在l/s<0.24内Re=6346、9519和12692量纲为1的射流中心线速度衰减趋势与Re=3173相比分别减弱2.60%、2.87%和12.69%。离析强度随混合时间的增大而减小,随周向角度增大呈W形变化趋势。在相含率和雷诺数相同时,对称球状较圆柱状加料达到混合时间减少65.5%;不同喷嘴之间的拉伸率随迹线长度的增大而增大,jet1和jet9位置处的拉伸率与其余喷嘴相比较大;相同喷嘴之间拉伸率随Re的增大而增大,Re=6346、9519和12692的拉伸率与Re=3173相比分别提高289%~320%、418%~454%和607%~667%。     

横流环境中压电风扇耦合射流流动换热特性

利用激光多普勒测振仪分别测定攻角和横流速度对压电风扇振幅的影响。基于相应的振动测试结果利用动网格技术对横流环境中不同安装角度下压电风扇冷却加热壁面的三维非定常流动和传热特性进行了数值模拟,同时应用红外热像仪对相同横流条件工况下加热表面的局部对流传热系数分布进行了测量。研究结果显示,攻角为90°时,作用在风扇上的气动载荷最小,风扇振幅最大,而随着攻角的减小风扇振幅也逐渐减小;安装角为90°时,压电风扇振动以及横流作用所诱导形成的耦合涡结构冲击加热表面,并在下游区域具有明显的脱落、破碎过程,对于叶尖包络区对应的壁面局部对流换热有显著的强化作用,此时风扇耦合换热性能最强,高于45°和135° 2倍以上;且时均对流传热系数的实验结果与数值模拟具有良好的一致性。