冷热圆管在封闭方腔内不同垂直位置的自然对流数值研究

利用有限体积法对冷热圆管在封闭方腔内不同垂直位置的自然对流现象进行了数值研究。讨论了瑞利数Ra和冷热圆管间距δ对方腔内自然对流流动与换热的影响, 其中瑞利数的变化范围为10³～10⁶, 圆管间距变化范围为0.3～0.6。为了揭示冷热圆管间的相互作用和圆管与方腔间的相互作用对自然对流换热与流动的影响规律, 比较分析了热圆管在上、冷圆管在下和热圆管在下、冷圆管在上两种情形下冷热圆管、方腔的自然对流换热能力的差异。研究表明:瑞利数的改变, 对方腔内温度场分布和涡流结构有显著影响;热圆管在下、冷圆管在上这种情形更有利于自然对流换热的进行;增加圆管间距δ, 热圆管和方腔的换热能力增强, 但冷圆管的换热能力却有所减弱。研究结果为核电站安全壳非能动余热排出系统的性能研究提供了理论依据。     

圆管束中导流器对其自然对流换热的影响

对无限大空间中5根同规格圆管组成的圆管束在管间放置导流器的自然对流换热进行了数值模拟研究。考虑了Ra在10³～10⁴范围内,导流器偏转角为0°～60°,圆管间距为2～4倍圆管直径的自然对流换热,分析了5根圆管的局部Nusselt数（Nu_loc）和平均Nusselt数（Nu_ave）。研究结果表明,导流器对管束结构的自然对流换热影响体现在两方面：一是对导流器下方圆管而言相当于障碍物削弱其换热,二是对导流器上方圆管而言隔绝了下方羽状流的影响,从而增强系统的整体换热。在圆管间距较大时,与无导流器的圆管束相比,C1～C4各圆管换热下降趋势明显放缓,并且从C4、C5圆管换热趋势上升,系统整体换热增强。圆管间距S=2D,Ra=10³,导流器主要起障碍物的作用,削弱C1～C4各圆管换热,导致系统整体换热下降。当导流器偏转角度为45°时系统换热达到最大值,较无导流器时换热最多有着21%的提升。     

封闭腔内置倾斜换热管的自然对流数值模拟

数值模拟了封闭腔内置倾斜换热管的自然对流流动与换热。研究了瑞利数Ra(104～107)、换热管倾角θ(30～75°)、方腔高宽比A(3/5,1,5/3)条件下方腔内温度场、流场和换热管表面平均努塞尔数Nuav的变化规律。结果表明:换热管表面平均努塞尔数随着瑞利数的增大而增大,换热机理由导热逐渐过渡到对流换热,换热能力逐渐加强;随着换热管倾角的增大,方腔内的流动结构由双涡结构转变为单涡结构,平均努塞尔数与倾角呈递增关系,换热能力加强;随着方腔高宽比的减小,流动结构略有不同,由于方腔顶部二次涡的产生,使得流动换热加强。     

空气横掠中空纤维膜管束的流动与传热性能

采用标准k-ε模型和增强壁面函数法对空气横掠中空纤维膜管束的强制对流换热进行数值模拟。采用SIMPLEC算法求解速度场和压力场的耦合,守恒方程采用二阶迎风格式离散。计算得到了不同管间距比下的管束平均Nusselt数和阻力系数。分析了纵横管间距比及Reynolds数的改变对管束平均Nusselt数和阻力系数的影响。     

椭圆管束对流换热性能的数值模拟研究

运用计算流体力学(CFD)FLUENT软件,对水横掠叉排椭圆管束时管外流动和换热性能进行了二维数值模拟。结果表明,增加纵向或横向管间距,管束尾部的漩涡数量和大小都会有所增加,换热性能降低;纵向或横向管间距的减小,都会对尾部漩涡产生抑制作用,使换热性能提高。来流速度的增加会使管束换热效果增强。综合考虑管束换热性能以及阻力因素,纵向管间距与管束特征尺度的比值为3.0~3.5、横向管间距与管束特征尺度的比值为1.75,来流速度为4m/s时,可以实现低压损的情况下换热效果的显著提升。     

滴形管换热器壳程换热特性的实验研究

利用热质比拟原理及萘升华技术，对滴形管换热器壳程的换热特性进行了实验研究。讨论了排列方式对管束平均放热的影响以及放热系数随流动方向上排数的变化规律。给出了计算管束平均换热系数的实验关联式。实验结果表明，滴形管束和圆管管束相比具有强化传热的显著优点。     

绕流具有光合生化反应管束的格子Boltzmann模拟

采用格子Boltzmann方法模拟了有机废水溶液绕流表面附着有光合生物膜管束的流动、传质及光合生化反应过程,并分析了管束排列,管间距及Reynolds数对流场、浓度场、平均阻力系数及底物的Sherwood数的影响。结果表明：溶液绕流小管间距时具有较高的Sherwood数,同时阻力系数也较高;与顺排管束相比,绕流叉排管束的平均Sherwood数增大了一倍左右,其增大幅度随Re的增大而增大,而阻力系数仅增大了约10%。一定条件下,绕流叉排管束时,出口处具有较低的底物浓度和较高的产物浓度。结果表明,很小的流场扰动可对浓度场产生较大影响,从而,叉排管束更有利于传输传质及生物降解。     

微细铜丝在水中自然对流换热

采用实验与数值模拟相结合的方法分别研究了封闭空间内水平放置的直径为39.9、65.8、119.1 μm的微细铜丝（微丝）在水中的对流换热,分析了微丝表面自然对流换热特性及机理。实验通过焦耳加热的方法测量了不同直径微丝在水中自然对流的传热系数及Nusselt数。同时建立三维不可压数学模型对微丝在水中的自然对流进行数值模拟,并将计算结果与实验值进行了对比。研究表明,数值模拟结果与实验值基本吻合,微丝在水中自然对流的传热系数随直径减小而显著增大,Nu则明显减小,且Nu随热通量增加的变化率也随直径减小而明显降低;微丝表面边界层厚度随直径减小而变薄,但边界层厚度与微丝直径的比值则逐渐增大;另外,对比微丝与常规尺度圆管表面自然对流的流场、温度场以及边界层分布,发现相同温差下微丝表面自然对流换热的边界层与常规尺度下沿壁面由底部向上发展的形状不同,而是沿微细丝表面呈椭圆形包裹于其上,因此削弱了表面对流换热强度,导致温度场呈现出较明显的导热特征。     

基于场协同理论的强化管换热效果分析

在湍流工况下,分别对圆管、横纹管、波节管和波纹管的换热效果进行数值模拟。应用场协同理论对数值模拟的结果进行分析,结果表明:各种换热管的努塞尔数和综合性能系数均随雷诺数的增加而增加,而场协同数则随雷诺数的增加而减小;当雷诺数较大时,各换热管的场协同数逐渐趋于定值;相同雷诺数下,横纹管的各项指标最高,而圆管最低。因此在相同工况下,应优先选择横纹管作为换热器中的强化换热管。     

应用热阻分析缩放管强化传热机理

应用分析求解和数值模拟方法对光滑圆管与缩放管内的湍流对流传热的热阻分布进行了计算,计算结果表明,光滑圆管的热阻主要位于粘性底层,缩放管通过壁面缩放,减小了粘性底层的热阻,湍流区成为热阻分布主要区域。在流动粘性底层,缩放管的热阻降低归功于该层厚度的降低,在流动粘性底层以外的传热粘性底层,则是边界层厚度的降低、速度矢量与温度梯度的协同影响。随Re数增大,圆管与缩放管各层热阻均减小,流动粘性底层以外的传热粘性底层的降幅最大。     

气流横向冲刷管束湍流换热的场协同分析

推导出了气流横向冲刷管束湍流换热时的传热Nu数与场参数的关系表达式,用数值模拟的方法对湍流时场协同原理进行了分析与验证。结果表明,换热随管排方式和管间距的改变而有所不同,是因为速度场与热流场的协同作用的不同,速度场与热流场的协同性好,则传热性能好。场协同原理同样适合于气流横向冲刷管束湍流流动与换热。对湍流换热时场协同作用特点进行了分析,指出湍流时速度场与热流场的协同作用对换热的影响主要表现在粘性底层以外的壁面附近。     

管形状对平片换热芯片传热性能影响的试验

利用萘升华传质/传热比拟试验方法,研究了三排圆管、扁管顺排和错排布置平片换热板芯在片间距一定时,管形状对换热性能的影响,分析了相同板芯在不同片间距时的传热特性.结果表明,对于给定的片间距,相同管形状错排布置时的换热系数Sh高于顺排布置;对于给定的胎数,同一板芯Sh数随片间距的增大而增大.     

翅片管式换热器管外流体流动的三维数值模拟和实验

对翅片管式换热器管外不可压缩流体流动情况进行了三维数值模拟,分析了顺排和叉排两种管排方式、管排数、不同翅片间距对流体流动的影响,得出了圆管表面压力系数随排数变化的特性曲线和摩擦系数随雷诺数变化的特性曲线,不同翅片间距下进出口压降与入口风速的关系模拟结果与实验数据相符较好,验证了模型的准确性。     

润滑油在内插同轴交叉翼型涡产生器管内流动与传热特性分析

以润滑油为工质,采用数值方法对圆管内插同轴交叉等腰梯形涡产生器的管内流动与传热进行了数值模拟,分析了不同结构参数如扭率（T_r=3,4,5,6）、间距比（S_s/W=0.8,0.9,1.1,1.2）和基带宽度比（W_b/W=0.30,0.45,0.60,0.75）对圆管内插同轴交叉等腰梯形涡产生器的管内流动与传热特性的影响。结果表明：在相同Re下,平均Nusselt数Nu_m、二次流强度Se、强化传热因子JF均随扭率和间距比的减小而增大,而其与基带宽度比的变化没有明显规律,阻力系数f随着扭率的减小和基带宽度比的增大而增大,间距比对f的影响甚微。在相同结构参数下,JF和Se均随Re的增大而增大。在Re=50~1000范围内,相比于光滑圆管,内插不同结构参数的同轴交叉涡产生器的Nu_m增加了32.8%~208.6%,f增加了3.38~8.92倍,JF最大可达1.434。Nu_m与Se呈幂函数相关,内插同轴交叉翼型涡产生器管内的二次流强度决定了其对流换热强度。     

以最佳温度均匀度和最小熵产为目标的航天器热循环试验系统运行参数优化

以数值模拟的方法研究了不同运行参数下航天器热循环试验箱内温度均匀度与熵产的变化规律。结果表明,在4.3×103≤Re≤8.6×105、4.62×1013≤Gr≤1.38×1014范围内,由于强浮升力的作用,壁面附近出现回流区,温度由上往下降低,中轴线附近气体加速下沉,温度由上往下升高。箱内量纲1温度标准偏差随Reynolds数增大而增大,随Grashof数变化不明显;混合对流过程中流动熵产远小于传热熵产,熵产数值随Reynolds数、Grashof数的增大而增大。提出了壁面Nusselt数、试验箱内量纲1平均温度、量纲1温度标准偏差及量纲1传热熵产随Reynolds数、Grashof数变化的关联式。     

缠绕管式换热器壳程参数的流动换热数值研究

缠绕管式换热器壳程传热系数高、湍流程度大,多应用于天然气液化等低温过程。对其壳程流动换热机理对其进行了实验及数值模拟研究。建立了加长壳程进出口型式的整体模型,数值研究了缠绕管外径D_t、层间距B、管间距l和缠绕角度θ 4个结构参数对壳程流动换热的影响,并以努塞尔数Nu、摩擦系数f和综合换热性能pec作为表征指标,结论如下:随着D_t增大,B,l和θ减小,壳程Nu与f同时增大,换热效果提升,流动摩擦阻力也随之增大;对以低温液氮为壳程工质的缠绕管式换热器进行设计时,通过减小D_t和θ、增大B可得到更好的pec值,而l对pec的影响甚微;给定各结构参数,壳程Nu和pec随Re增大而增大,而f基本不变。     

螺旋椭圆管换热器传热特性与阻力特性研究

旨在研究螺旋椭圆管式换热器管内流动换热性能。借助CFD数值模拟方法分析了流体入口角度θ和椭圆截面长短轴之比a/b对螺旋椭圆管式换热器管内流动和换热的影响,并且利用综合传热增强因子PEC评价了换热器的综合换热性能。结果表明:螺旋椭圆管内存在二次流,导致螺旋椭圆管截面内温度梯度和速度梯度径向分布不均;在研究范围内,θ增大,努塞尔数Nu增加,摩擦系数f提高,综合换热性能增加;θ>45°时,螺旋椭圆管综合换热性能优于螺旋圆管。θ一定时,a/b越大,综合换热性能越好。通过对多种不同结构的螺旋椭圆管进行多工况数值模拟后,修正了现有的准则关联式,提高了准则关联式的准确度。     

磁流体对流换热研究进展

综述了近年来磁流体在对流换热领域的实验研究与数值计算成果,并对实验和计算结果进行分析总结;分别阐述了磁流体自然对流换热和磁流体强制对流换热研究中纳米流体体积分数、瑞利数、磁场强度和方向等对对流换热的影响;最后总结了磁流体研究现存问题及未来研究方向。     

管束结构对开缝翅片椭圆管换热器性能的影响

在模化试验验证的基础上,对不同横向管间距S_1、纵向管间距S_2和椭圆管长短轴比a/b的开缝翅片椭圆管换热器进行了数值模拟,分析了管束结构的差异对开缝翅片椭圆管换热器性能的影响。结果表明:横向管间距在60.55~70.55 mm范围内,空气侧N_u和E_u均随S_1减小而增大,S_1为60.55 mm时换热器综合流动传热性能最好;纵向管间距在65~75 mm范围内,空气侧N_u随S_2减小而增大,E_u变化不明显,S_2为65 mm时换热器综合流动传热性能最好;横向管间距对开缝翅片椭圆管换热器传热、流动性能的影响较纵向管间距更为明显;在等周长条件下,椭圆管长短轴比a/b在1.5~2.5范围内,a/b为1.8时换热器综合流动传热性能最好。研究成果可为此类换热器在工程实际中的应用与进一步优化提供依据。     

螺旋翅片管空冷器换热与阻力性能研究及优化

为了获得翅片螺距t、翅片高度h、横向管间距S1和纵向管间距S2对螺旋翅片管束换热与阻力性能的影响,并优化翅片结构,对12组螺旋翅片管束进行数值模拟,并通过模化试验验证.结果表明:t为2.3-2.6 mm时,增大翅片螺距,Nu与Eu都减小;h为9.5-15.5 mm时,增大翅片高度,Nu与Eu都增大;S,为62-72 m...