振动作用下平直翅片管结霜初期微液滴运动过程数值模拟

平直翅片管换热器在低温高湿环境中工作极易发生结霜现象,造成能耗增加、故障率升高,而对结霜初期的微液滴施加振动作用可以加速微液滴的滑落过程从而达到抑制结霜的效果。对结霜前期微液滴的生长过程进行数值模拟分析,并通过文献值验证了数值模拟的可靠性,然后利用不同时刻的微液滴数据,通过数值模拟的方式,研究不同振动频率作用下微液滴的运动特性,最后搭建试验平台进行验证。研究结果发现,不同体积的微液滴对应的最优振动频率有所不同,当微液滴体积较小时,较高的振动频率使微液滴在基管壁面来回振荡,不易滑落,当微液滴体积较大时,较高的振动频率有利于微液滴克服壁面摩擦力,有利于液滴滑落。     

Numerical analysis of shell-side flow-induced vibration of elastic tube bundle in heat exchanger

The responses of the flow-induced vibration of an elastic tube bundle subjected to the shell-side cross flow are investigated in this paper. The weak coupling method and the fluid solid interface are used to solve the fluid-structure interaction problem with consideration of the geometry and physical natures. The effects of the shell-side fluid flow velocity and the structural parameters on the flow-induced vibration are discussed. Numerical results demonstrate that the vibration frequency and amplitude at the monitor points increase with the increase of the shell-side water inlet velocity in all directions. The wall thickness and the external diameter of the elastic tube bundle have significant effects on the responses of the flow-induced vibration. The structural parameters affect the vibration frequency and amplitude, and the vibration equilibrium position in the water flow direction. The vibration frequency decreases with the increase of the tube external diameter. In addition, the vibration in the water flow direction has a lower equilibrium position when the elastic tube bundle has a larger wall thickness or smaller external diameter.     

基于不同截面形状的螺旋弹性管束换热器传热特性分析EI北大核心CSCD

为探究截面形状对螺旋弹性管束(spiral elastic tube bundle,SETB)换热器传热性能的影响,基于四种截面形状(四边形、六边形、椭圆形和圆形),采用双向流固耦合计算方法,对单层四螺旋弹性管束在不同入口速度条件下的振动和传热特性进行了研究。结果表明:不同截面形状的螺旋弹性管束在换热器内不同安装位置的振动响应有明显的不同。截面为椭圆形的螺旋弹性管束在振动和不振动条件下的传热系数最高,管束圆周上的局部传热系数最大,说明管束截面形状为椭圆时的传热性能最佳。振动能够实现强化传热,但振动剧烈的螺旋弹性管束其传热性能并不一定最佳,在进行螺旋弹性管束换热器设计时,并不是要一味追求高强度的振动,还要综合考虑螺旋弹性管束的安装位置和截面形状。     

表面粗糙度对硬盘超低飞高气膜静态特性的影响

硬盘(Hard disk drives,HDDs)是当前信息存储的主要器件,它的尺寸越来越小、容量越来越大,磁头的飞行高度越来越低.基于考虑气体稀薄效应修正Reynolds方程的线性流比(Linearized flow rate,LFR)模型,采用一种无网格法-最小二乘有限差分(Least squarefinite difference,LSFD)法,求解引入压力流因子和剪切流因子的量纲一雷诺方程,并且研究表面粗糙度对硬盘超低飞高(1～2 nm)气膜静态特性的影响.数值结果表明,表面粗糙度对超低飞高气膜压力分布和承载力的影响较大,而对压力中心的影响较小;飞行高度越低和/或表面粗糙度值越大,对压力分布及承载力的影响越明显;在粗糙度值相同的条件下,仅磁头粗糙且取横向粗糙度时,系统压力分布最高,气膜承载力最大;各种情况下,表面粗糙度对压力中心的变化影响不大,说明磁头飞行比较平稳,系统稳定性较好;另外,基于LFR模型研究表面粗糙度对硬盘气膜静态特性的影响,不仅数值结果精度高,并且具有很高的计算效率.     

基于流固热耦合的平直翅片管换热器结霜过程数值模拟

平直翅片管换热器结霜是湿空气、霜层和换热器结构多物理场交互作用的结果。基于流固热耦合计算方法，考虑结霜过程中霜层密度和导热系数的变化，定义更真实求解域边界，对三维平直翅片管换热器的结霜过程进行数值模拟研究。模拟计算得到的结霜量与实验值之间的平均误差为4.67%，较以往数值模拟方法得到的结果精度有所提升。计算对比了湿空气进口流速分别为1.0, 2.0, 3.0, 3.7 m/s，相对湿度分别为60%, 70%, 80%时霜层的生长情况。结果表明，霜层厚度沿气流方向不断降低，随着来流速度和相对湿度增加，生长速率增大。对空气侧换热系数的研究表明，在结霜初期，空气相对湿度越大，换热系数越大；在结霜后期，空气相对湿度越大，换热系数越小。     

粗糙度模式对硬盘气膜承载特性的影响

当前硬盘中磁头磁盘之间气膜的厚度已经接近或低于分子平均自由程,在这种情况下表面粗糙度及气体稀薄效应的影响不容忽视.应用最小二乘有限差分法,求解考虑气体稀薄效应并引入压力流因子和剪切流因子的量纲一雷诺方程,研究了不同粗糙度模式下硬盘超低飞高(1nm~2nm)气膜的承载特性.数值结果表明:粗糙度模式对超低飞高气膜压力分布及承载力的影响较大,而对压力中心的影响较小;在各种粗糙度模式情形下,磁头取横向粗糙度模式时,可使气膜压力分布升高,并提高气膜的承载力.     

脉动流发生装置诱导弹性管束振动的实验研究

为了实现对换热器内弹性管束振动的有效激发和控制,提出了一种新型脉动流发生装置,搭建了脉动流诱导弹性管束振动测试实验台,测试了换热器内各排弹性管束在不同工况下的振动响应。结果表明:在脉动流发生装置诱导下,弹性管束主要有两个振动频率,一个频率基本不受入口流速的影响,另一个频率随入口流速的增加而增加;提出的脉动流发生装置,一方面使弹性管束的振动强度明显增加,另一方面在一定程度上解决了各排弹性管束振动不均的问题。     

磁盘速度与容纳系数对硬盘气膜静态特性的影响

随着硬盘(Hard disk drives,HDDs)中浮动块与磁盘间飞行高度的降低,气体分子与磁头/磁盘间的交互作用逐渐增强,磁盘速度及容纳系数(Accommodation coefficients, ACs)对气膜承载特性的影响越来越重要。采用一种无网格法—最小二乘有限差分(Least square finite difference, LSFD)法,对简化的分子气膜润滑(Molecular gas film lubrication, MGL)方程进行求解,研究了磁盘速度、磁头和磁盘表面ACs对HDDs超低飞高气膜静态特性的影响。数值结果表明：对称性分子交互作用时,磁头和磁盘表面ACs对气膜静态特性的影响明显;非对称性分子交互作用时,磁盘表面ACs对气膜静态特性的影响较大,而磁头/浮动块表面ACs的影响较小;不同ACs条件下,随着磁盘速度或最小飞行高度的增加,压力幅值点位置的变化较均匀。     

弹性管束结构改进及折流板对振动与传热性能的影响

为提高弹性管束换热器的综合传热性能,基于传统弹性管束换热器,在内部增设折流板并对其传热元件进行结构改进。采用双向流固耦合计算法,对不同结构条件下4种弹性管束换热器的振动及传热特性进行了定性和定量对比分析。结果表明：管束结构改进及增设折流板均会增强弹性管束的振动强度,且弹性管束结构改进后各排管束的振动一致性提高;在弹性管束振动条件下,与无折流板的传统弹性管束换热器相比,仅对管束进行结构改进传热性能可提高12.51%,仅增设折流板可使管束传热性能提高25.28%,对管束进行结构改进并增设折流板可使管束传热性能提高28.57%;在弹性管束换热器结构不变的条件下,与非振动条件下的计算结果相比,管束结构改进可使管束传热性能提高6.53%,增设折流板可使管束传热性能提高5.09%,同时进行管束结构改进并增设折流板可使管束传热性能提高7.96%。     

流体诱导弹性管束振动响应数值分析

基于流固耦合问题的弱耦合法,研究弹性管束不同流速的壳程或/和管程流体诱导下的振动响应。研究表明,流体诱导振动幅值随壳程或/和管程流速的增加而增加。与相同管程流速条件相比,壳程流体引起的振幅较大。随壳程流速增加监测点振动频率增加;随管程流速增加监测点振动频率基本不变。壳、管程流体耦合诱导的振动位移曲线与仅壳程流体诱导的振动位移曲线类似,说明弹性管束工作过程中的振动主要由壳程流体诱导。流体诱导的振动频率接近管束第一阶固有频率时,监测点在y、z方向振幅逐渐趋于峰值。流体诱导弹性管束的振动主要表现为面内振动。