基于CFX的梯形带肋通道流动与换热的数值模拟

采用CFX等计算流体动力学软件,通过气热耦合数值模拟方法,对比分析了梯形冷却通道和矩形冷却通道内空气的流动和换热特性。     

矩形带肋通道中蒸汽与空气换热特性比较试验研究

模拟实际燃气轮机叶片内冷通道几何及传热结构,研究了蒸汽和空气在两面带有肋片的矩形通道中当雷诺数为10000⁸0000时的换热和摩擦特性。试验通道宽高比(肋片在宽面上)为0.5,肋间距p/e为10,通道阻塞比为0.047,试验通道长度L为1000mm。试验结果显示,蒸汽和空气在带肋通道中的平均换热系数,平均摩擦系数和换热性能随雷诺数的变化趋势几乎相同;在相同试验条件下,蒸汽在带肋通道中的平均换热系数比空气高30.2%,平均摩擦系数比空气高18.4%;蒸汽在带肋通道带肋面和光滑面上的换热性能比空气分别高8.4%和7.3%。     

三角形与梯形凹槽微通道流动换热特性试验研究

为研究壁面凹槽对微通道热沉流动和传热性能的影响,设计了两种侧壁具有不同凹槽结构的微通道热沉模型,以去离子水作为流体介质展开试验,并通过综合进出口压降、摩擦因子、加热面温度、努塞尔数和综合传热因子评价侧壁凹槽结构对流动换热特性的影响。结果表明,当凹槽开口长度同为1 mm、开口倾角同为25°时,三角形凹槽微通道的压降相对于梯形凹槽最高提高了9.36%;当加热功率同为240 W、入口温度同为20℃时,三角形凹槽微通道散热能力始终大于梯形凹槽微通道;当通道内雷诺数处于试验设定的500～3 500区间时,三角形凹槽微通道的流动与传热综合性能始终优于梯形凹槽微通道;设计微通道热沉侧壁凹槽结构应优先考虑三角形凹槽结构。     

带侧向出流孔的梯形通道内部换热特性数值研究

采用非结构化网格和标准k-ε湍流模型,求解三雏N-S方程,对带侧向出流孔的梯形通道内表面流动情况进行了数值模拟,具体研究了孔径为0.03,通道进口雷诺数为30000,测流比分别等于1,0.3,0时梯形通道内的流动及换热情况.结果表明:随着侧流比的减小,通道内表面沿流向相同位置换热趋于一致;平均努赛尔数随之单调递增.     

微通道内流体流动及换热特性的数值分析

采用Navier—Stokes方程与滑移边界条件联立的理论分析模型，对等壁温、等热流及无温度梯度工况下，气体在微通道中的流速分布、阻力系数变化趋势（Cf·Re）和传热特性（努塞尔数）进行了数值研究。结果表明：气体稀薄效应可显著减小管内的摩擦阻力和努塞尔数，增大气体流速；壁面的速度滑移和温度跳跃对微圆管内换热特性的影响相反，温度跳跃的影响更大；等热流加热与等壁温加热两种情况下，努塞尔数随克努森数的变化趋势明显不同。     

矩形带肋通道中脉动流强化换热数值研究

为了提高燃气轮机叶片内部对流冷却,采用脉动蒸汽流取代稳态蒸汽流作为内冷介质。利用数值计算方法研究脉动蒸汽流在矩形带肋通道中的强化换热能力。通过与稳态蒸汽流的对比,分析了非稳态脉动流的脉动频率、脉动幅值和雷诺数对换热效果的影响。计算结果表明,脉动流对换热的影响取决于流体压力梯度的大小,当脉动的蒸汽处于逆压梯度区间,逆压梯度越大瞬态换热更强。而顺压梯度有稳定流体的作用,在顺压梯度时间区间,有瞬时的换热甚至低于稳态流体冷却的情况出现。     

小尺度圆形通道内流动换热特性试验研究

对圆形细通道流动与换热特性进行了试验测量,着重考察了通道几何参数(直径、长度)对其流阻系数和换热系数的影响规律,试验中雷诺数Re范围为500～5000.研究结果表明:通道直径越小,通道内流体的流阻系数越大,换热系数越大;通道长度越长,通道内流体的流阻系数越小.这将为圆形细通道的应用提供参考.     

带涡产生器的平板通道中空气换热特性研究

以空气为介质,利用数值计算方法,模拟了Re在900至2100范围内带涡产生器的平板通道中空气换热特性。数值模拟结果表明平行平板通道中涡产生器产生的涡形成了干涉,涡通量可作为衡量换热强弱的一个量,并且涡通量、Nu数和阻力系数均随交错系数的减小而增大。     

带射流收缩通道内部换热特性数值模拟

采用数值模拟的方法对简化后的燃气涡轮发动机进气道支板内部换热特性进行三维数值模拟,具体通过对带射流收缩型通道内部的流场结构和换热分布进行研究来揭示其内部换热机理,并与采用热色液晶全面表面瞬态测量技术测得的换热实验结果进行对比,从而验证计算方法的可行性.研究结果表明:射流在通道内呈现对涡结构流动,矩形出气缝的位置对通道内部流动和换热特性影响较大,换热计算结果与实验测量结果基本吻合,所用的数值模拟方法较为真实的预测了带射流收缩型通道内部的换热特性.     

螺旋外肋管换热器壳侧流体流动与换热特性数值研究

利用CFD技术,研究了螺距及肋高对螺旋外肋管换热器壳程流体流动和换热性能的影响。建立了壳程周期性单元流道模型并进行数值计算,详细分析了不同螺距、肋高对壳程流体流动及换热的影响。结果表明,适当地减小螺距可以有效地强化管壁对流换热效果,同时伴随着摩擦阻力系数的增大,但综合换热性能更强。在高雷诺数区域,随肋高的增大,螺旋外肋管的换热性能随肋高的增加比较明显,而摩擦阻力系数的变化与肋高变化的程度大致相同。速度场和温度场的平均协同角随螺距的减小而减小,协同程度增强。提出了螺旋外肋管换热器壳程换热及阻力性能公式供相关工程设计参考,并对外肋管换热器壳程综合强化性能做出了评价。     

波纹管内流动与换热的数值模拟研究

利用计算流体力学软件Fluent,采用数值模拟方法究了幅值不同的两种波纹管传热状况,发现幅值为4mm的波纹管的传热状况优于幅值3mm波纹管的传热状况,这是由前者管内湍流强度高于后者所致.同时,回归了两波纹管的换热准则方程,为波纹管的校核计算及工程应用提供依据.     

涡轮工作叶片内冷通道换热特性数值模拟

采用非结构化网格和SST紊流模型,求解三维N-S方程,对带90°肋和气膜孔的矩形通道在入口雷诺数60000,罗斯贝数0.11,气膜孔总出流比为0.22时的三维流场进行了数值模拟。分析了通道旋转和静止时各个面的换热变化规律。结果表明,通道静止时,不但布置了粗糙肋的上、下壁面换热得到了增强,光滑的侧壁换热同样获得了增强;通道旋转时流场更加复杂,旋转所产生的二次流动使各个壁面的换热进一步增强。     

离散叉排肋化内冷通道流动与传热的数值模拟

运用数值模拟方法,计算肋片导流角θ为15°～45°的离散叉排肋化冷却通道在雷诺数介于1×104～20×104之间时的换热和流阻特性。研究结果表明,(1)各算例的强化换热能力随雷诺数的增大而减小,流动阻力随雷诺数的增大而增大,综合换热效率随雷诺数的增大而减小。(2)肋片导流角的改变可以显著改变通道的换热和流阻特性。相同雷诺数下,θ=45°的强化换热比和通道阻力增大比最高,θ=15°的强化换热比和通道阻力增大比最低。在研究范围内θ=15°的综合换热效率最好。     

倾角渐增波纹翅片管换热器空气侧流动与换热特性的数值模拟

提出了一种圆管倾角渐增波纹翅片的管翅式换热器,利用FLUENT软件对其空气侧的流体流动和换热过程进行了数值模拟,得到了翅片通道中心面上的温度场和压力场的分布情况及平均传热系数、努赛尔数与速度的关系。并将其强化传热效果与倾角均匀波纹翅片换热器进行对比分析,结果表明倾角渐增波纹翅片比倾角均匀波纹翅片的传热效果更好,更节能。     

非圆截面小通道内R113的流动沸腾换热特性

针对非圆截面小通道流动沸腾换热研究报道较少的现状,以R113为工质,对4种不同水力直径的正方形、三角形截面小通道内的流动沸腾换热特性进行试验研究,试验参数范围：入口干度,过冷～1.0;质量流速400～ 3 300 kg/(m2?s);热流密度20～150 kW/m2,并将试验结果与相近水力直径的圆通道内流动沸腾试验结果进行了对比分析。试验结果表明：非圆小通道内饱和流动沸腾局部壁面温度与质量流速密切相关,并受热负荷与流动沸腾换热状况的影响;质量流速和壁面热负荷是非圆小通道内流动沸腾换热特性的主要影响因素;与相近水力直径的圆通道内流动沸腾试验数据对比显示,非圆截面小通道具有明显的强化传热作用。     

喷管通道内气体流动特性的实验分析与数值模拟

简述了喷管性能测量分析系统的组成结构。对喷管性能数字化测量的硬件和软件的设计及配置做了描述;实验分析了管内气体的流动特性。运用CFD软件FLUENT模拟了喷管在不同工况下的流场,将数值模拟结果和实验分析结果进行对比,确定模拟的正确性和对工程实际应用的指导意义,为喷管的优化设计提出了有效的技术途径。     

矩形通道内沸腾换热特性及可视化研究

考虑到内燃机缸盖结构的复杂性,其内部冷却通道的换热特性及沸腾状态难以用试验手段进行准确的分析与监测。以简化的矩形流道作为有效的研究对象,针对于流速、压力、温度等流动参数对沸腾换热的影响展开试验研究,并利用高速相机监测不同过热度下的沸腾现象。研究表明:适当的降低流速可以在不影响换热的情况下优化冷却系统的结构尺寸,而提高冷却介质的温度和压力反而会降低沸腾换热效率。气泡的数量、尺寸均可反应出不同的沸腾换热状态,同时气泡的演化行为(生成、滑移、聚合、脱离、消失)可以在冷却介质中造成扰动,从而促进换热的发生。为内燃机缸盖沸腾换热方式的设计提供一定的理论参考。     

微通道内油液低雷诺数运动流动特性数值模拟

基于连续性方程和N-S方程,建立了油液在102μm量级通道中流动的数学模型,利用有限元法求得了速度的数值解,并利用CFD软件Fluent分别数值模拟了进口段效应、几何结构参数和重力效应对光滑矩形截面微通道中油液流动特性的影响。结果表明:油液在微通道横截面上的速度分布近似呈抛物线型分布,最大流速在微通道的中心轴线处;进口段效应对油液微流动的影响在通道长度较大时可以忽略;微通道内油液低雷诺数流动的阻力系数随长径比增大而减小,长径比大于75时趋于稳定,而摩擦阻力常数则随高宽比的增大而呈指数级增大;重力效应对油液的微流动可以忽略不计。     

竖直矩形窄通道内水流动沸腾换热特性的研究

建立单面加热垂直矩形窄通道流动沸腾换热试验装置,针对截面250mm×3.5mm的窄缝通道,对水流动沸腾换热特性进行试验研究。通过试验分析可知:(1)随着干度的增加,局部换热系数先增加后减小,有一个最大值,此时处于饱和核沸腾区域,其蒸汽干度也接近于0,同时也接近于沸腾起始点。相应地流体从单相流-泡状-块状流-搅拌-环状流转变。(2)在流动沸腾换热中,热流密度对核态沸腾换热有明显影响,而对流动沸腾液膜蒸发的影响甚小,所以可以认为由热流密度的变化而引起的换热变化,主要表现在核态沸腾。(3)入口温度的变化对单相流动的换热系数有影响,而沸腾换热系数与流型及汽泡的产生及扰动有极大关系,入口温度对流动沸腾局部换热系数基本没有影响。