矩形截面高宽比对射流强化螺旋通道传热性能的影响

为了进一步探究具有不同截面高宽比的单一螺旋通道内流体湍流流动与换热特性以及射流对矩形截面螺旋通道的强化传热效果,采用计算流体动力学软件模拟研究了高宽比γ分别为0.625, 1.1, 1.6和2.5时,单一矩形螺旋通道及射流作用下螺旋通道内的湍流流场、二次流场及强化换热特性。结果表明,对于单一矩形螺旋通道,相同横截面积和流量时,仅当γ≥1.6的通道在高雷诺数下二次流会出现四涡结构,其余为两涡结构。对于单一螺旋通道,γ值越大流动阻力越小,同时换热性能越差。加入射流后,矩形截面四个壁面的换热能力均有提高,γ值越大射流的强化传热效果越显著,研究范围内局部壁面换热努塞尔数的平均值(Nulocal)m最高可为单一螺旋通道的2.51倍。考虑流量增加的影响,射流影响下的螺旋通道区域内综合强化传热因子PEC2在1.05~1.21之间。     

三角形螺旋流道充分发展层流流体的流动性能

基于角钢螺旋夹套,展开了对三角形螺旋流道层流流动性能的实验和数值研究。经对比,同一模型下的实验结果和模拟结果吻合良好。采用数值方法得到了充分发展状态下流体的主流速度、二次流速度、流函数及涡量的分布特点,分析了三角形边界上局部阻力系数的分布规律,并与半圆管螺旋流道进行了比较。结果表明：在所研究的Dean数及量纲1曲率（k）内,流道横截面上的二次流为稳定的两涡结构,内、外壁面局部阻力系数的分布明显不同,外壁面局部阻力系数的平均值约为内壁面阻力系数平均值的1.54～2.72倍;随着Dean数及k 的增大,二次流动增强,内、外壁面阻力系数均增大;对于量纲1挠率及Dean数均较小的三角形螺旋流道,挠率对流体流动的影响很小;通过对比,两种流道具有相同内壁面面积、曲率半径、螺距及Reynolds数时,三角形螺旋流道的流动阻力小于半圆管螺旋流道。     

弓形截面螺旋半管夹套内流体流动与换热

采用数值方法对弓形横截面螺旋半管夹套内流体的湍流流动与换热特性进行了研究。基于正交螺旋坐标系给出了夹套内换热流体充分发展的湍流流场与温度场分布。研究了雷诺数Re和无量纲曲率δ对流动阻力fRe及壁面平均换热努塞尔数Num的影响。结果表明:充分发展湍流条件下,弓形截面螺旋半管夹套的横截面上,平均轴向速度的最大值位置靠近弯曲的外壁侧;二次流为旋转方向相反的两涡结构。相同换热面积时,在0.058≤δ≤0.12,6000≤Re≤12 000的范围内,弓形截面夹套的流动阻力fRe是半圆形截面夹套的0.794～0.947倍,平均努塞尔数Num为0.86～0.98倍。     

釜内螺旋半圆管夹套内流体湍流流动特性

采用实验和数值模拟方法对安装在反应釜内壁侧的螺旋半圆管夹套中流体的湍流流动特性进行了研究. 无量纲曲率d=0.133、无量纲螺距t=0.127的夹套中流体湍流速度场的实测与模拟结果吻合较好. 基于正交螺旋坐标系,给出了夹套内流体的速度场,包括平均轴向速度、二次流速度及二次流函数分布. 研究了平均雷诺数Re、d及t对速度场及流动阻力的影响. 结果表明,充分发展湍流条件下,釜内螺旋半圆管夹套横截面上,平均轴向速度最大值的位置有2个,二次流为恒定的4涡结构. 随Re和d增加,2对二次涡的强度及湍流流动阻力fRe均增加. 相对于釜外螺旋半圆管夹套,在0.05≤d≤0.1, 10000≤Re≤18000的范围内,釜内螺旋半圆管夹套中的湍流流动阻力fRe提高了2.13%~7.72%.     

三分螺旋折流板换热器内二次流分布与强化传热关系分析

通过对倾斜角35°首尾相连的三分螺旋折流板换热器的数值模拟,展示了其壳侧通道内流体在典型切面上的流场和流线分布,以及典型切面上典型直线的流动和换热参数分布,并与性能测试结果进行了对比。结果表明,数值模拟结果与实验结果是吻合的。螺旋折流板形成的近似螺旋通道,使换热器壳侧流体受离心力和向心力共同作用形成了迪恩涡二次流,且在每个螺旋周期内都存在;二次流增强了主流区域流体与靠近壁面流体的掺混,使得壳侧典型切面上中心线和折流板外缘直线的轴向速度较大;除主流中心区域外,壳侧流体在二次流的作用下具有均匀的湍流动能;二次流所在区域内,壳侧同心柱面内典型直线上换热系数相差不大,但由于二次流能使其附近区域传热面上的流体得到不断卷吸掺混,由此强化传热。     

螺旋半圆管夹套内湍流流动与传热的数值模拟

应用CFD分析软件Fluent,在简化模型的基础上对螺旋半圆管夹套内的三维湍流流动及换热进行了数值模拟. 结果表明,夹套内与螺旋线垂直的横截面上,切线方向的时均速度等值线呈鞍状分布,弯曲外壁侧的速度梯度远大于直内壁侧;二次流为稳定的两涡结构,二次涡的中心位置在半圆形截面的2个尖角附近. 由于二次流的作用,换热壁面上局部努塞尔数Nulocal分布不均,最小值在壁面中心点处,最大值在中心点两侧,研究范围内,最小值为平均值的0.8~0.85倍,最大值为平均值的1.15~1.25倍. 螺距对夹套内充分发展段的流体流动及换热的影响很小;增大曲率,夹套的换热能力增强,同时流动阻力也增大.     

安装涡发生器的矩形截面螺旋通道内流体流动

对安装三角翼型涡发生器的曲率为0.05的矩形截面螺旋通道内的流场进行了实验测量,并将测量值与模拟值进行比较,二者吻合较好。利用数值模拟方法研究了矩形截面螺旋通道内涡量的演变过程,研究了曲率及Reynolds数对涡发生器有效作用距离的影响。结果表明,安装三角翼型涡发生器后,矩形截面内靠近内壁处新出现了两个common-flow-down型的二次涡,新出现的额外涡量的极值为原有涡量的2.0~2.8倍。Reynolds数越大,曲率越小,涡发生器的有效作用距离越长。当曲率为0.05,迎流角为10°,Reynolds数为5370时,其值可达翼高的79倍。     

三角形螺旋流道层流流动及换热特性模拟

应用CFD软件研究了直角三角形螺旋流道内层流流体的流动及换热特性,得到了充分发展条件下流体的速度场及温度场,分析了换热壁面局部努塞尔数Nuloc的分布及流道结构对三角形螺旋流道内流体流动及换热的影响。结果表明:层流状态内,流体在流道横截面上产生的二次涡为稳定的两涡结构;受二次流的影响,换热壁面上各点的努塞尔数并不一致,其峰值出现在靠近二次涡中心位置的换热壁面处。增大雷诺数及量纲一曲率,使得局部努塞尔数峰值明显增大,且会使换热面中心弱传热区增大。平均努塞尔数随着雷诺数或曲率的增大而增大,但相应的阻力系数也会随之增加。     

基于PIV法的管内插螺旋液固两相流流场特征

为探究管内插螺旋与液固两相流复合技术对流场与传热的影响机理,采用粒子图像处理技术(PIV)实验研究管内流体的涡量场及速度场分布规律。对比实验结果表明:内插螺旋液固两相流使流体呈螺旋流动,且增大流体的运动强度。在雷诺数Re=26 400～33 000,总平均涡量比光管增大21.4%～35.8%;径向速度呈正负波动分布,平均径向速度为光管的6.5～19.8倍,径向速度波动为光管的51～609倍;轴向速度沿壁面向管中心递增,轴向速度波动比光管增大41.5%～60.6%;平均湍动能比光管增大162.7%～254.6%,因此内插螺旋液固两相流复合技术更有利于传热。     

等腰直角三角形截面螺旋流道内层流流体的流动特性

应用CFD软件对直角三角形螺旋流道内层流流体的流动特性进行了数值模拟,得到了充分发展条件下流体的速度场,分析了无量纲曲率d、无量纲挠率l对二次流强度和流体流动阻力的影响. 结果表明,当d=0.021~0.083且Re=200~1000时,流体流过该螺旋流道产生的二次涡为稳定的两涡结构;随Re及d增大,二次流强度增强,流体阻力系数也相应增大;在研究范围内,l对二次流强度及流体流动阻力的影响不大;当结构参数及Re取值相同时,三角形螺旋流道的阻力比半圆形螺旋流道小,且随Re增大,二者的差值增大,在所计算的Re范围内三角形螺旋流道的阻力系数为半圆管螺旋流道的84.1%~99.5%.     

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.     

扰流柱协同螺旋片强化套管换热器壳侧换热

对于内管外壁安装有螺旋片的套管换热器的壳侧,在螺旋片所形成的螺旋通道中心,沿螺旋方向周期性地布置扰流柱以进一步提高其换热性能,对这种扰流柱协同螺旋片强化的换热器的换热特性进行了实验研究,应用场协同理论分析了其强化机理。结果表明,在Re=4000～14000范围内,扰流柱协同螺旋片强化的换热器的传热系数为相同螺距下只安装螺旋片的换热器的1.53～2.53倍,为光滑内管换热器的3.08～4.87倍。在相同质量流量、相同压降及相同泵功条件下,扰流柱协同螺旋片强化的换热器的综合换热性能明显好于相同螺距下只安装螺旋片的换热器及光滑内管换热器;在相同压降及相同泵功条件下,保持螺距不变,安装扰流柱比螺距减小一半的综合换热性能更好;单位螺距内安装奇数个扰流柱比安装偶数个扰流柱略好。扰流柱的安装增大了径向速度,使温度场与速度场的协同效果更好,从而提高了换热效果。     

螺旋片强化的套管式换热器壳侧传热特性

为揭示螺旋片强化套管式换热器壳侧传热的机理,以指导此类换热器的进一步强化,对螺旋片强化的套管式换热器壳侧的传热和阻力特性进行了实验研究,并与光滑内管换热器进行了比较;利用可实现的k-ε湍流模型,对螺旋片强化的套管式换热器壳侧流体的流动和传热特性进行了数值模拟,研究了正交螺旋坐标系下壳侧螺旋通道中的流场结构.实验结果表明...     

Numerical investigation of grooves effects on the thermal performance of helically grooved shell and coil tube heat exchanger

Heat exchangers are integral parts of important industrial units such as petrochemicals, medicine and power plants. Due to the importance of systems energy consumption, different modifications have been applied on heat exchangers in terms of size and structure. In this study, a novel heat exchanger with helically grooved annulus shell and helically coiled tube was investigated by numerical simulation. Helically grooves with the same pitch of the helical coil tube and different depth are created on the inner and outer wall of annulus shell to improve the thermal performance of heat exchanger. In the first section, thermal performance of the shell and coil heat exchanger with the helical grooves on its outer shell wall was compared with same but without helical grooves. At the second section, helically grooves created on both outer and inner wall of the annulus shell with different groove depths. The results showed that the heat exchanger with grooves on both inner and outer shell wall has better thermal performance up to 20% compared to the heat exchanger with grooves on only outer shell wall. The highest thermal performance achieves at lower flow rates and higher groove depths whereas the pressure drop did not increase significantly.     

盐浴结构焦炉上升管换热器的传热特性

通过数值模拟及实际动态试验,研究了盐浴结构焦炉上升管换热器内的温度场和荒煤气流场,得到了换热器内温度和荒煤气速度的变化规律。研究结果表明,上升管换热器内荒煤气的流动处于层流入口段状态;沿上升管换热器径向,荒煤气温度在内筒壁及其扩展的直翅片附近迅速下降,在中心处的变化较小;直翅片的温度场呈现下部高、上部低、翅顶高、翅根低的趋势;整个炼焦周期内,上升管换热器的内筒壁温可控,可避免荒煤气中焦油蒸气的大量凝结。     

Numerical analysis of the lethality and processing uniformity in a double-pipe helical heat exchanger

A numerical study of a double-pipe helical heat exchanger was performed to ascertain the residence time, temperature, and processing uniformity for food processing applications. A range of laminar flow rates were used, with both parallel flow and counterflow configurations. Both heating and cooling in the inner tube were studied. Heating/cooling uniformity was estimated by using a first-order kinetics model for sterilization. Process uniformity is important in the quest for high quality product and this report is a first study for the uniformity in double-pipe helical heat exchangers.     

Laminar Flow and Heat Transfer Characteristics in Jackets of Triangular Flow Channels

Laminar flow and heat transfer characteristics of jacketed vessel with triangular flow channels were numerically studied under hydrodynamically and thermally fully developed conditions. Constant heat flux at theheated wall was assumed. The numerical program code interms of vorticity, stream function, axial velocity com ponent and energy equations was written based on a finite volume method. Based on the numerical results, the flow and temperature field were given, and the effects of Dean and Prandtl numbers on flow and heat transfer were ex amined, and the correlations of flow resistance and mean Nusselt number were developed for the jacket. The results show that the structure of secondary flow is steady two vortices in the investigated range of dimensionless curvatureratio and Reynolds number. Two peaks of local Nusselt number increase significantly with Prandtl and Dean num ber increasing, but the local Nusselt numbers near two ends and at the center of the heated wall increase only slightly. The center and two ends of heated wall are the poor positions for heat transfer in the jacket. Compared with the outer half coil jacket at the same area of heated wall, curvature radius, Reynolds number and Prandtl number, e jacket of triangular flow chmnel has lower flow resistance and less mean Nusselt number.