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。     

磁场对熔盐射流冲击传热的影响

以永磁铁构建定磁场，进行外加磁场作用下熔盐射流冲击传热的实验研究，并得到Nusselt数Nu驻点关联式和径向分布。结果表明，在驻点区范围内，Nusselt数较无磁场作用时增大，传热得到比较明显的增强，而在壁面射流区，这种强化传热效果逐渐减弱。此外，当Reynolds数Re一定时，熔盐Nusselt数随着磁场强度的增加而增大，且驻点处强化传热效果最为显著。在Reynolds数Re=6400与磁场强度B=2800 Gs条件下，熔盐驻点Nusselt数Nu₀提高约6％，可见磁场作用对熔盐射流冲击传热具有一定的强化效果。     

基于停留时间分布的缠绕管内二次流研究

缠绕管内二次流能够显著强化管内传质、传热性能。通过测量缠绕管内液体的停留时间分布,利用无量纲方差σ²表征二次流强度,研究了缠绕直径、缠绕角度、缠绕管管径等结构参数对二次流的影响。结果表明：在径向流动未达到极限迁移距离的缠绕管中,随着液体Reynolds数Re的增大,σ²先减小后增大,对应缠绕管内依次出现的湍流作用区和二次流作用区;在径向流动达到极限迁移距离的缠绕管中,随着Re的增大,σ²先减小后增大最后趋于平稳,对应缠绕管内依次出现的湍流作用区、二次流作用区和二次流极限区。从湍流作用区转变为二次流作用区的临界Reynolds数Re_S随缠绕管缠绕直径和管径的减小而减小,缠绕角度对Re_S的影响较小。     

基于热舒适性纳米喷泉的流动与传热特性

目前关于纳米喷泉流动与传热特性及微区域热舒适度方面的研究较少,为了研究其流动与传热机理,本文基于气-液两相流模型和金刚石-乙二醇/水纳米流体高沸点、低冰点等优良特性,在有限柱体空间内建立了一种基于热舒适性的新型高效换热喷泉-“纳米喷泉”,对比研究了金刚石-乙二醇/水纳米流体、水射流工质分别对喷泉流动与传热的影响,同时讨论了纳米颗粒体积分数v和表征流体流动情况的雷诺数（Reynolds,Re）对喷泉流动与传热的影响,分析了局部温度分布、流线分布、平均温度和流体换热量在空间内的变化,并依据ASHRAE 55-1992标准和ISO7730标准对微区域的热舒适度进行了评价。结果表明：随着Re数和v增大,换热强度均得以不同程度地提升,热舒适程度也逐渐增加。Re=1.0×10⁵和Re=1.2×10⁵时,纳米颗粒体积分数从0增加至1%的换热强度提升较为明显,前后两种Re数可分别强化1.5%和2.8%;Re=1.4×10⁵时,体积分数从3%增至5%的换热强度可提升11.5%,强化效果最为明显。故较小Re数下,较低组分的纳米流体强化换热效果较好;而在较大Re数下,较高组分纳米流体的强化换热效果更好。     

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.     

螺旋缠绕波节管传热与流动性能分析

以水为工质,对螺旋缠绕波节管湍流状态下传热与流阻性能进行数值计算,分析了其强化换热的机理,并分析了波节深度H与波节间距P对其传热与流动阻力的影响。结果表明:相同工况下,螺旋缠绕波节管的综合换热性能优于螺旋缠绕光管;流体在管内做螺旋运动,由于离心力的作用,在垂直流体主流方向上产生二次流;管横截面周期性的扩张与收缩,使流体在波节内产生沿流体主流方向上的回流,它们对流体边界层产生很强的破坏作用,使湍流程度增强,对换热有较好的强化作用;随着波节深度H的增大,Nu提高,f增大,综合传热性能逐渐提高;随着波节间距P的减小,Nu提高,f降低,综合传热性能逐渐提高。     

半周加热横纹管内熔盐强化传热特性

半周加热太阳能吸热器管给管内对流传热系数带来影响,基于此,建立半周加热横纹管内熔盐对流传热的实验台和数值计算模型,分析横纹管槽宽、槽深对管内熔盐传热性能的影响规律,结果表明：从横纹管绝热侧到加热侧,周向管内壁温度逐渐升高,周向管内局部Nusselt数先减小后缓慢增大至稳定。横纹管凹槽处轴向管内壁温度明显低于平滑段,凹槽处轴向管内局部Nu较大,凹槽后与平滑段交界处管内局部Nu最小。横纹管槽越宽,加热侧轴向管内局部Nu越小,管内平均Nu越小,传热综合性能评价因子PEC越大。横纹管槽越深,轴向管内局部Nu越大,管内平均Nu越大,传热强化倍数Nu/Nu _ST越大。槽宽对横纹管PEC的影响比槽深明显,槽深对横纹管内Nu/Nu _ST影响比槽宽大。通过线性拟合得到半周加热横纹管内熔盐传热Nu的关联式,其计算Nu与模拟值最大偏差在±7%以内。     

潜热型功能热流体在微小管道内的换热特性

针对现代电子器件的散热需求,采用潜热型功能热流体为工作介质进行实验,并搭建流动换热实验台,研究5%、10%和15%质量分数下潜热型功能热流体与去离子水在微小圆形管道内的换热特性,结果表明,在雷诺数Re为300~1000范围内,潜热型功能热流体均表现出比水更好的冷却性能及更低的壁面温度,在实验测试范围内,相变引起的壁面温度降低率最大可达26.8%;潜热型功能热流体平均Nu随着流动Re数的增加而增加,并通过对实验数据分析,拟合了平均Nu数与流动Re数、质量浓度和流体Pr数的经验公式,最大偏差不超过7.5%,可以较好反应潜热型功能热流体的换热特性;潜热型功能热流体沿着管道长度方向的强化换热比与潜热型功能热流体浓度及流动Re数有关,存在强化换热的最佳长度。     

Ross LPD型静态混合器内湍流传热与混合强化特性

在湍流状态Re=2640~17600下,采用恒热通量传热实验与数值模拟相结合的方法,系统研究Reynolds数Re和交错角对Ross LPD型静态混合器内湍流流动与传热性能影响,采用Nusselt数、Darcy摩擦系数、综合传热系数、速度场与温度梯度和压力梯度协同角等参数评价混合器内传热强化性能;基于CFD与LPT相耦合分析混合器内流体微元拉伸率。研究结果表明：SST k-ω模型预测Ross型静态混合器湍流阻力及传热结果与实验结果具有很好一致性;Ross混合器流场内形成与流场尺度较为接近的纵向涡,其涡心在圆形截面与半圆形截面中心间周期性迁移,横截面内湍流分散混合效率是Kenics的3.36~1.72倍;当Re>7040时,Ross LPD综合传热性能明显优于KSM;当叶片夹角为30°时,综合传热性能系数具有最大值;Ross LPD内插件具有高效低阻的技术优势和结构改进潜力。     

Ross LPD型静态混合器内湍流传热与混合强化特性

在湍流状态Re=2640~17600下,采用恒热通量传热实验与数值模拟相结合的方法,系统研究Reynolds数Re和交错角对Ross LPD型静态混合器内湍流流动与传热性能影响,采用Nusselt数、Darcy摩擦系数、综合传热系数、速度场与温度梯度和压力梯度协同角等参数评价混合器内传热强化性能;基于CFD与LPT相耦合分析混合器内流体微元拉伸率。研究结果表明：SST k-ω模型预测Ross型静态混合器湍流阻力及传热结果与实验结果具有很好一致性;Ross混合器流场内形成与流场尺度较为接近的纵向涡,其涡心在圆形截面与半圆形截面中心间周期性迁移,横截面内湍流分散混合效率是Kenics的3.36~1.72倍;当Re>7040时,Ross LPD综合传热性能明显优于KSM;当叶片夹角为30°时,综合传热性能系数具有最大值;Ross LPD内插件具有高效低阻的技术优势和结构改进潜力。     

涡产生器翼高对管翅式换热器流动与传热的影响

采用数值模拟方法分析了三角形小翼式涡产生器翼高分别为1.5、1.75和2.0 mm时对圆管管翅式换热器空气侧传热及纵向涡强度的影响。结果表明：在相同Re下,随着翼高的增加,Nu、阻力系数 f 以及量纲1二次流强度Se_m都增大;所研究各模型的Se_m与Nu呈唯一对应关系,并且获得了Se_m与Nu的定量关系;以强化传热因子JF作为评价准则,得出翼高为1.75 mm时能够使换热器获得较优的综合强化传热效果。     

纵向涡强化圆管内换热的数值模拟及性能分析

对布置有涡发生器小翼对的圆管内部湍流流动和强化传热特性进行了三维数值模拟。研究了涡发生器的形状和对数对流动传热特性的影响并采用综合性能指标进行优化。结果表明：涡发生器后横截面上产生的多纵向涡结构使管内流体混合更加充分,促进了壁面边界层与主流的动量和能量交换,提高了传热强度。每排4对矩形小翼时的换热性能最好,Nusselt数比光管平均提高了27.2%。相同形状下,每排4对涡发生器的综合性能均高于每排3对;相同对数下,梯形小翼的综合性能最好,三角形小翼次之,矩形小翼最差。每排4对梯形小翼时的整体综合性能最优,性能评价标准达到了0.97～1.07。     

扭曲管传热性能数值模拟与实验研究

为了研究扭曲管强化传热性能,通过建立模型数值模拟和实验研究相结合的方法对扭曲管及具有相同截面形状的普通椭圆管的传热性能进行了对比分析。研究了扭曲管和椭圆管管内流体努塞尔数Nu,压力降Δp和管内综合性能评价因子η随雷诺数Re的变化情况,在Re为800—2 000时,扭曲管管内Nu是普通椭圆管的2—3倍,综合传热性能是椭圆管的1.5—2倍。得出了扭曲管可以很好地加剧管内流体湍流、强化管内传热,特别适用于管内流体在低雷诺数范围内的传热,是一种十分高效的强化传热管。     

带V型折流板圆管中流动结构与传热的三维数值研究(英文)

A 3D numerical investigation has been carried out to examine periodic laminar flow and heat transfer character-istics in a circular tube with 45° V-baffles with isothermal wal . The computations are based on the finite volume method (FVM), and the SIMPLE algorithm has been implemented. The fluid flow and heat transfer characteristics are presented for Reynolds numbers ranging from 100 to 2000. To generate main longitudinal vortex flows through the tested section, V-baffles with an attack angle of 45° are mounted in tandem and in-line arrangement on the opposite positions of the circular tube. Effects of tube blockage ratio, flow direction on heat transfer and pressure drop in the tube are studied. It is apparent that a pair of longitudinal twisted vortices (P-vortex) created by a V-baffle can induce impingement on a wal of the inter-baffle cavity and lead a drastic increase in heat trans-fer rate at tube wall. In addition, the larger blockage ratio results in the higher Nusselt number and friction factor values. The computational results show that the optimum thermal enhancement factor is around 3.20 at baffle height of B=0.20 and B=0.25 times of the tube diameter for the V-upstream and V-downstream, respectively. ? 2014 The Chemical Industry and Engineering Society of China, and Chemical Industry Press. Al rights reserved.     

螺旋扭曲扁管换热器传热与流阻性能试验研究

对4种不同结构的螺旋扭曲扁管换热器的管程和壳程传热与流阻性能进行了试验研究,并和采用圆管作为换热管的弓形折流板换热器进行了比较,根据试验数据回归出反映螺旋扭曲扁管换热器管程和壳程传热与流阻特性的关联式。研究结果表明,螺旋扭曲扁管换热器管程与壳程都有较好的强化传热性能,螺旋扭曲扁管的几何尺寸和流体Re对其管、壳程传热与流阻性能有重要影响。     

Heat transfer augmentation in a circular tube with winglet vortex generators☆

The article presents the influence of winglet vortex generators (WVGs) placed in the core flow area on ther-mal performance enhancement of a tube heat exchanger. The experiment was carried out in a uniform wall heat-fluxed tube by varying turbulent alrflow for Reynolds number ranging from 5300 to 24000. In the pres-ent work, the WVGs with an attack angle of 30° were inserted into the test tube at four different winglet pitch ratios (RP=P/D) and three winglet-width or blockage ratios (RB=e/D). The experimental results at various RP and RB values were evaluated and compared with those for smooth tube and tubes with twist-ed tape or wire coil. The measurement reveals that the WVGs enhance considerably the heat transfer and friction loss above the plaln tube, wire coil and twisted tape. The Nusselt number and friction factor increase with the increment of RB and Re but with the decreasing RP. The average Nusselt numbers for the WVGs with various RB are in the range of 2.03–2.34 times above the plaln tube. The thermal performance for the WVGs is found to be much higher than that for the wire coil and twisted tape and is in a range of 1.35–1.59. Also, a numerical investigation is conducted to study the flow structure and heat transfer enhancement mecha-nisms in the winglet-inserted tube.     

直插式垫条型缠绕管式换热器过程强化

为增强缠绕管式换热器的综合换热性能,本文提出一种沿径向安装于缠绕管式换热器芯筒内壁上的直插式垫条型内插件。通过数值模拟的手段,研究了直插式垫条型缠绕管式换热器的流动与换热性能。相比于传统结构,直插式垫条在固定管束相对位置的同时也可作为涡发生器,影响管束形成的尾流场,对管束边界层产生持续的扰动,增强缠绕管式换热器的综合换热性能。计算结果表明,在相同的进口工况下,直插式垫条型缠绕管式换热器壳侧努塞尔数相比于传统结构提高了13.01%～15.55%,压降升高了1.3%～4.3%,综合换热性能可提高7.4%~10.5%。并在此基础上研究了直插式垫条不同的排布方式对流动及换热性能的影响,在雷诺数5000～24000的工况条件下,直插式垫条对齐排方式的综合换热性能最优;在雷诺数24000～30000的工况条件下,直插式垫条交错排布的综合换热性能最优。     

INFLUENCE OF NONUNIFORM TWISTED TAPE ON HEAT TRANSFER ENHANCEMENT CHARACTERISTICS

An experimental study of heat transfer and friction factor characteristics in a circular tube fitted by twisted tapes with nonuniform twist ratios is reported. The twisted tapes are used as swirl generators playing roles as heat transfer enhancers. The nonuniform twisted tapes examined in the present work have (1) sequentially increasing twist ratios (SL), (2) sequentially decreasing twist ratios (LS), (3) repeatedly increasing-decreasing twist ratios (SL/SL), (4) repeatedly decreasing-increasing twist ratios (LS/LS), (5) intermittently increasing-decreasing twist ratios (SL→LS), and (6) intermittently decreasing-increasing twist ratios (LS→SL). In addition, three different typical twisted tapes with twist ratios of 3.0, 4.0, and 5.0 (TT) were also evaluated. Apparently, LS yields monotonically increasing swirling intensity and SL decreasing swirling intensity, resulting in lower heat transfer rate and friction factor than the other four nonuniform twisted tapes, which possess extra fluid fluctuation. However, among the tapes tested, the SL/SL offers the maximum thermal performance factor of around 1.03, which corresponds to Nusselt number of around 36% and friction factor of 3.57 times over those of the plain tube.