微管内流动与换热实验研究与分析

采用不同压力下的水蒸汽来加热微管,蒸馏水流过内径分别为215μm、322μm、530μm及765μm微管,实验同时测量了微管两端的压力降及流量.实验得到了Re数在100-7 000之间变化时的摩擦阻力系数f及Nu数,并与经典的流动阻力系数及经典层流、过渡流及紊流换热准则方程式进行了对比.实验结果表明,在Re数较低时,微管内部f值与经典的理论值基本相等,微管内部的Nu数略低于常规经典的换热准则方程式的解;在Re数增加到1 800-2 000时,f值偏离经典的层流解,但微管内的Nu数与过渡流准则方程式的解基本一致;当Re数增加到3 000-7 000左右时,f值达到或接近勃拉修斯解,管内部换热的Nu数达到常规尺度下的紊流换热方程式的解.[关键词]微管,摩擦系数,努谢尔特数     

工质对微石英管内部流动特征的影响

为采用“两管法”以消除进出口压力降及入口效应对流动的影响,分别以蒸馏水、CCl_4及N_2为工质,测量其流过内径d分别为19．60、44．63、91．65及140．86μm微石英管的流量与进出口压降,得到微管内部充分发展流的摩擦阻力系数f与Re的关系．实验结果表明,除d=19．60μm的管外,其他管在Re较小时,微管内部的f值与Hagen-Poiseuille解几乎一致;当Re升高到1300时,f已开始偏离Hagen-Piseuille解．对于d=19．60μm的管,在Re＜500,工质为蒸馏水时,f比Hagen-Poiseuille解高10%～15%;工质为CCl_4时,f仍然约等于Hagen- Poiseulle解;工质为N_2时,f比Hagen-Poiseulle解低8%～10%．     

微管内部流动粘性耗散的实验研究与数值模拟

为深入了解微管内部流动及换热机理,对液体在微管内部流动引起的粘性耗散问题进行了理论分析、数值计算和实验验证.以蒸馏水为工质,流过内径为25μm及50μm微光滑石英管,采用非接触式温度测量方法——红外热成像测量液体粘性耗散导致的微管壁面的温度场变化,获得精确的微管外壁温度分布.同时利用SIMPLEC计算方法对其内部流动耗散进行了数值模拟,得到了微管内部流动雷诺数Re和流体温升的关系.实验结果与数值模拟结果相吻合,表明忽略粘性耗散的影响会最终影响微管摩擦系数和Re数的表观实验结果.     

微粗糙管内部流动与对流换热的实验研究

以蒸馏水为工质,流过内径分别为168μm和399μm、内部粗糙度分别为8％和3％的不锈钢管．通过直接电加热,采用红外成像仪测量了各种恒定加热功率及不同雷诺数(Re)下的钢管壁面的温度场,同时测量了微管进出口压力降和流量,由此计算了在不同Re下的努谢尔特数(Nu)和管内摩擦阻力系数(f)．实验结果表明, 在低Re下,微管内部f的值与Hagen-Poiseuille解基本一致,但微钢管内部的Nu要略高于Hausen的解;当Re 达到800左右时,内径为168μm的管内部f的值已开始偏离Hagen-Poiseuille解,Nu急速上升并形成拐点,这是由于流动发生转捩导致的．     

矩形微通道中流动阻力特性的实验研究

以蒸馏水作为工质,实验研究了水力直径为107.76~199.07m矩形紫铜微通道内的流动特性.实验中的紫铜微通道是由晶体生长法直接生长密封而成,有别于以往相关实验中刻蚀或微机加工所形成的微通道,避免了传统微通道加工方法所引入的误差,从而确保了微观尺寸的测量精度.实验测量了Reynolds数在70到1400之间摩擦阻力系数.实验结果表明:当Re数小于300时,在实验误差内,摩擦系数的值近似等于经典理论计算值;随着Re数的增大,的值大于理论值,这可能是由微通道内部壁面粗糙度效应所导致的.     

定热流加热下微管内部换热特征的实验研究

以蒸馏水为工质,流过内径分别为242 μm、315 μm 及520 μm石英管,石英管外部缠绕外径为80 μm的铜丝,通过给细铜丝通电来加热石英管以研究石英管内部的换热。根据细铜丝电阻值与温度的关系来确定石英管外壁的温度值,实现了定热流加热与温度测量的同步。实验得到了雷诺数Re在100～7000之间变化时的Nusselt数,并与经典的层流、过渡流及紊流换热准则方程式进行了对比。实验结果表明,在Re较低时,微石英管内部的Nu数低于常规经典的换热准则方程式的解,但随着Re数增加到1700～1900时,微石英管内Nu数已与过渡流准则方程式的解基本一致;当Re数增加到4000～5500左右时,微石英管内部换热Nu数达到常规尺度下的紊流换热方程式的解。     

波壁管中脉动流动的数值模拟

利用数值模拟的方法,文中对脉动流动下波壁管内流体的流动和换热特性进行研究,分析了脉动参数雷诺数Re、斯德鲁哈尔数St以及振动分率P对波壁管中流体的传热和阻力特性的影响.结果表明:Re、St与P对流体的换热特性均有影响,在脉动流场下,波壁管内流体的传热强化幅度随雷诺数Re的增大而先增大后减小;与斯德鲁哈尔数St以及振动分率P均成正比关系.随着St的增加,摩擦阻力系数在较低St时几乎不发生变化,而在较大St时明显发生变化,但随着St的增加,平均摩擦系数f_(m)几乎不发生变化;平均摩擦系数f_(m)随振动分率P的增加而逐渐增大,随雷诺数Re的增大而逐渐减小.     

矩形微通道内流动沸腾压力降实验研究

对去离子水在矩形微通道(0.54 mm×1.6 mm×330 mm)中的流动沸腾压力降特性进行了实验研究.结果表明:质量流速和出口干度对压力降有重要影响,总压力降随质量流速和出口干度的增加而增大;各分压力降中摩擦压力降占主要部分,其次是重力、加速和单相流压力降.在实验数据基础上拟合微通道内单相流摩擦系数关联式,预测值与实验数据吻合良好,对微通道内流动沸腾摩擦压力降的研究有重要的参考价值.     

不同形状微针肋通道流动与换热性能影响研究

采用CFD模拟软件,结合实验研究,针对圆形、三角形和方形截面微针肋通道流动与换热进行了三维数值模拟分析.分别模拟了不同雷诺数Re下,三种形状肋片的绕流流场和肋阵温度场分布,并计算摩擦阻力系数f、努谢尔特数Nu等参数评价针肋微通道流动换热性能.结果表明,f随Re的增大而减小,且低Re下,三角形针肋的f最小.Nu随Re的增加而增大.三种形状中,圆形针肋的Nu数最大,换热效果最好.综合流动和换热特性评估,认为圆形针肋比方形和三角形针肋更优.通过实验对比发现,微尺度效应对模拟结果的影响有一定的误差,但是整体趋势与模拟结果一致.     

无阀压电微泵用平面锥管内部流动附壁效应

为研究锥管内流体流动中产生的附壁效应对其流阻系数的影响,采用数值模拟的方法对平面锥管内部流动附壁效应进行研究.结果表明:雷诺数Re在300~3000,锥管角度在5~40°时,扩散方向流动可以分为3种状态,即稳定状态、附壁状态和射流状态.锥管角度为10~35°时,锥管内流动易于发生附壁效应.Re在300~1 200时,稳定状态扩散流阻系数随着扩散角的增大迅速降低;附壁状态扩散流阻系数随着扩散角的增大缓慢增大;射流状态扩散流阻系数随着扩散角的增大而缓慢降低.Re在1 800~3 000时,附壁状态扩散流阻系数在锥管角度为30°时达到最大值.流阻系数比在稳定状态和射流状态下基本不变,在附壁状态下随着扩散角的增大迅速减小.     

圆管层流脉动流动的数值模拟

为研究圆管层流脉动流动特性,建立了二维非稳态轴对称模型,对壁温恒定、入口速度周期性变化的流体进行数值模拟.分析了速度振幅和频率对层流流动的影响,得到了频率和振幅对压力、温度、壁面摩擦系数影响的规律.研究表明:脉动流动时,压力、温度、壁面摩擦系数围绕相同Re下稳态流动时的数值波动;压力与速度之间存在相位差;压力、壁面摩擦系数的波动与速度振幅和频率成正比;温度的波动与速度振幅成正比,与频率呈反比;当流体脉动的频率和振幅足够大时,会在近壁面处出现回流,并且出现回流的时间会随着频率和振幅的增大而增长.     

微钢管轴向导热对对流换热的影响

以氮气为工质,流过内径为168μm、外径406μm微钢管,采用直接通电法进行加热,并使用红外成像仪加红外专用放大镜头测量了在恒定的流量下、不同加热功率以及相同加热功率、不同流量下的微钢管壁面的温度场,获得精确的微管外壁温度分布,同时测量了氮气的进出口温度和流量.根据实验结果分析了微管轴向导热对管内部对流换热的影响.研究表明,在氮气为工质下,微钢管轴向导热导致内部换热的减弱,减少量超过总对流换热量的2%.     

填充床内气液并流向下流动的流动状态和压力降

在气液并流向下流动的填充床中,研究流动状态和压力降。用空气—水系统作实验。在内径30mm、高1.5m的填充床中分别充填6mm的拉西环和直径为4.67、3.697mm的玻璃球。得到了流动状态图。压力降数据与文献中数据相符。     

Q型内构件强化管内湍流流动与传热特性分析

为了研究内置Q型扰流构件强化圆管内湍流流动与传热特性,以水为工质采用ANSYS Fluent软件在3 000≤Re≤30 000范围内对内置RL-90-QSM、RR-90-QSM和RR-00-QSM等3种构件的管内传热与流阻性能进行数值模拟,基于RL-90-KSM研究Q型构件强化传热综合性能。研究结果表明:在Re=3 000~5 000,RL-90-QSM内传热Nu随Re的增大增加最快,较KSM内Nu提高约7%~36%,但其强化传热综合性能弱于KSM;而RR-00-QSM和RR-90-QSM内传热Nu分别较KSM降低约3%~8%和4%~15%。当Re5 000时,RL-90-QSM内Nu较KSM提高约48%,特别是当Re15 000时其强化传热综合性能高于其他三种构件;RR-90-QSM和RR-00-QSM的强化传热性能随Re增加逐渐降低,但其强化传热能力高于KSM。     

纳米复合掺杂对高温二元熔融盐传热性能影响北大核心

为探索纳米氧化硅颗粒的添加对二元熔融盐传热流动的影响,对圆管中掺杂纳米氧化硅颗粒的二元熔融盐流动传热进行了数值模拟。设计了9组工况,计算得到了温度和速度分布以及各工况下的Nu数,计算结果与传热关联式进行了对比,分析了比热容、导热系数、粘度三个参数对传热的影响。结果表明,传热关系式适用于熔融盐基纳米流体,当掺杂的纳米氧化硅颗粒使得熔融盐具有一个较高的比热容和粘度时增强传热效果更好。纳米熔盐的比热容、导热系数和粘度分别提高了15%、5%、5%时,管内传热的Nu数最大可以提高6.7%。Nu数随着Re数的增大而增大,当Re数增大到一定程度时,Nu数对Re数增大的响应灵敏度有所降低。     

水平90°弯管内固液两相流动的数值模拟

为研究90°弯管内固液两相流动特征,采用多相流混合模型对水平90°弯管内水和沙粒固液两相流动进行数值模拟,分析弯管典型横截面上二次流现象,讨论其发展变化对沙粒浓度分布的影响.模拟结果显示:当Re=5×104时,随着入口沙粒浓度升高,弯管出口横截面中心区域混合流体速度趋于更均匀分布,随着入口沙粒直径增大,沙粒快速积聚于管道下侧,形成堆积;当Re数增大到2×105时,在相同沙粒直径下,弯管出口横截面混合流体速度分布变化不大,除管道下侧区域外,沙粒浓度分布变得更均匀.与实验结果对比表明,该模型可用于弯曲管道内固液两相流动特性的有效计算.     

透明插板对太阳能烟囱通风的增强效应

为了提高太阳能烟囱的热效率,通过在烟囱内部增设构件,探究增加热边界层数量对烟囱通风的增强效应. 在高1.2 m 宽0.4 m 深0.5 m 的太阳能烟囱实验模型中,插入玻璃板,通过测量烟囱入口段流速的变化,研究透明插板对太阳能烟囱通风量的提高效果. 实验在相对封闭的大厅中进行,并在烟囱入口处布置挡风板以排除环境风速的干扰. 从10月到12月间,共获得7组实际太阳辐射下烟囱的通风量,包括内部有无插板的对比实验. 结果表明,烟囱流量主要与吸热板的得热量有关. 在太阳辐射强度几乎不变的情况下,插入1块普通玻璃板可使得烟囱通风量增加5%~9%. 实验结果证实,在烟囱通道内增加热边界层可以提高烟囱热效率.     

多孔介质内流体流动的大涡格子Boltzmann方法研究

为研究多孔介质内流动随Re数变化的特点,采用结合Smagorinsky亚格子模型的格子Boltzmann方法(LES-LBM)对多孔介质内流动进行了数值模拟.结果表明：多孔介质内的单相流动在高Re数时会表现出复杂的非线性现象;LES-LBM克服了传统LBGK方法模拟高Re数流动时容易产生数值不稳定的缺点,能清晰地描述出多孔介质内流动存在的3个区域,即低速时的线性达西区、过渡区和高速时的非线性二次区;不同Re下的流线图还说明微观的惯性作用最终导致了多孔介质宏观上的非线性现象,多孔介质流动呈现明显的多尺度特征.进一步分析计算结果可以证明：LES-LBM方法能准确地验证Darcy-Forchhimer阻力方程,Darcy-Forchhimer总阻力随Re数增加而增加,随孔隙率增加而减小,并且小孔隙率下的Forchhimer阻力占总阻力比例小于大孔隙率时的比例.     

波纹管层流传热与流动的三维数值模拟

应用计算流体力学软件FLUENT对波纹管在层流情况下的传热与流动问题进行了三维数值模拟。所模拟的波纹管的母线由多段凹凸圆弧组成(半径分别为R1和R2),其公称直径为20mm,长度为2m。模拟了几何参数R1、R2对其传热与流动性能的影响。在模拟过程中压力-速度耦合选用SIMPLEC格式,压力方程的离散选用Standard格式,其他方程的离散均选用QUICK格式。结果表明:与光管相比,层流情况下波纹管能显著强化传热,在雷诺数(Re)相等情况下,波纹管的R1越大、R2越小时的强化传热效果越好;在几何参数相同情况下,Re越大,强化传热效果越好,在所研究的范围内,Nu最大增加了199.5%。同时,波纹管还具有良好的流动性能,大部分Re的范围内流动阻力系数小于光管的情况,并且随着Re的增大而逐渐接近于光管的摩擦系数。     

螺杆挤出机矩形流道中的聚合物流动分析

针对矩形流道中的聚合物流动问题,提出了一种基于傅立叶级数展开的近似方法.该方法利用流体流动的3大基本方程,建立了流体内部的速度场函数,通过流动边界条件求解出速度场.利用傅立叶二阶近似和三阶近似,分别忽略压力降和考虑压力降计算出z方向的速度场.结果表明该方法使用的模型简单,对浅螺槽精度高.