低Reynolds数条件下水流纵掠长冰柱沿方位角传热特性

通过实验研究了低Reynolds数条件下水流纵掠长冰柱过程的沿方位角相界面移动规律及传热特性。改变水流速度、水流温度、冰柱尺寸及冰柱初始温度等控制参数,采用非接触测量方法获得了冰柱融化图像,基于影像实验数据与冰柱相界面传热系数之间的映射关系,分析了沿方位角对流传热系数等传热参数的变化规律。结果表明:各测量点的沿方位角Nusselt数不同,随着融化过程的进行,各测量点的沿方位角Nusselt数值均先增大后减小,整个融化过程中间某处存在最大值;其余实验控制参数不变的条件下,沿方位角对流传热系数均随着水流速度或水流温度的增大而增加;获得了水流纵掠冰柱融化过程Nu?与Gr、Re、Pr、Ste及?之间的关联式。     

圆形自由射流冲击曲面的换热特性

采用直接表面温度测量的方法对水喷射高温曲面的传热过程进行实验研究.通过实验得到了驻点区及附壁射流区的对流传热系数的分布情况,并且系统地研究了射流出口速度、喷嘴至加热面的间距等参数对对流传热系数的影响.结果表明,圆形射流冲击曲面的局部传热系数沿传热面随X/D的增大而逐渐减小,驻点处的传热系数最大并且随射流速度的增大而增大,但是当射流速度增大到一定值时,驻点的对流传热系数的增大比较缓慢.在射流速度较低的情况下,喷距对局部传热系数的影响较为显著.     

水平管油气两相段塞流及其传热特性

海底油气管道的冷却传热过程是结蜡、水合物等海洋石油工业流动保障问题的关键控制因素。采用电容探针与热电偶、热电阻等流动及温度测量手段对不同冷却条件下空气-油段塞流的流动参数和传热参数进行实验测量,分析了空气-油段塞流流动参数对传热特性的影响,并与空气-水对流换热进行对比。结果表明,空气-油段塞流对流传热系数主要受液相折算速度的影响,且冷却液温度越低,管底热流体黏度越大,导致热边界层越厚,传热系数降低;受黏性力及边界层影响,对流传热系数远小于空气-水;沿管壁周向,从管顶到管底的对流传热系数不断增大。提出了适用于冷却条件下的油气段塞流传热关联式和传热模型。     

水平管油气两相段塞流及其传热特性

海底油气管道的冷却传热过程是结蜡、水合物等海洋石油工业流动保障问题的关键控制因素。采用电容探针与热电偶、热电阻等流动及温度测量手段对不同冷却条件下空气-油段塞流的流动参数和传热参数进行实验测量,分析了空气-油段塞流流动参数对传热特性的影响,并与空气-水对流换热进行对比。结果表明,空气-油段塞流对流传热系数主要受液相折算速度的影响,且冷却液温度越低,管底热流体黏度越大,导致热边界层越厚,传热系数降低;受黏性力及边界层影响,对流传热系数远小于空气-水;沿管壁周向,从管顶到管底的对流传热系数不断增大。提出了适用于冷却条件下的油气段塞流传热关联式和传热模型。     

撞击速度对连续液滴撞击热圆柱壁面局部传热特性影响的实验

借助高速摄像机捕获连续液滴撞击热圆柱壁面后的动力学行为,通过直接测试与数值计算方法相结合,获得了不同撞击速度下沿周向和轴向的局部对流传热特性。结果表明,当液滴撞击速度较小,液膜未发生飞溅时,由于圆柱面的各向异性,沿轴向的对流传热系数单调减小,而沿周向,对流传热系数先减小后略有增大;根据对流传热系数沿周向的变化,将圆周划分为撞击区域、热扩散区域和尾部脱离区域;增大液滴撞击速度主要提高撞击区域和热扩散区域的对流传热系数,而对尾部脱离区域对流传热系数的影响并不明显。当液滴撞击速度超过某一临界值(在本文的实验条件下约为1.53 m/s)时,液膜发生飞溅,此时继续增大撞击速度,壁温的降低不再明显。     

超疏水表面有滑移时的层流换热分析

在考虑速度滑移的前提下,对于圆管形微通道内温度边界层充分发展的恒热流量对流传热,推导了速度和温度分布表达式,并进一步得到对流传热系数和Nusselt数计算式。此外,还针对超疏水表面不同结构参数下的滞留空气层,提出了超疏水表面的有效导热模型,推导出超疏水表面不同结构参数下的热阻。最后将传热系数与超疏水表面热阻进行耦合,得出超疏水表面有效传热系数及其与超疏水表面结构参数的关系。计算结果表明:超疏水表面上流体的滑移使得管内温度更加均匀,传热系数或Nusselt数有所增加,恒热流条件下最多可以增加1.8倍;超疏水表面热阻随肋间距和肋高的增加而增大;超疏水表面的表观传热系数随肋间距或孔宽的增加而显著降低,随肋高或孔深的增加,表观传热系数也降低,其幅度与肋间距以及肋高与肋间距之比有关;各种结构参数条件下均存在表面滞留空气层的临界厚度,在此厚度以下表面有效传热系数不低于普通表面无滑移时的数值。因此,需要综合考虑超疏水表面的结构参数,包括肋高、肋间隙等,才能使超疏水表面有利于传热。     

界面剪切力对蒸汽垂直下流膜状凝结传热的影响分析

界面剪切力对小径管中的蒸汽垂直下流凝结传热有重要影响.采用VOF模型数值模拟了蒸汽垂直下流凝结传热,分析了界面剪切力对局部凝结传热系数的影响.模拟中冷凝管壁面温度采用耦合计算冷却水的对流换热获得.计算得到了速度、界面剪切力和局部凝结传热系数的分布.计算结果表明:界面剪切力沿蒸汽流动方向逐渐减小,它对局部凝结传热系数的强...     

夹套式上升管内荒煤气对流辐射传热的计算

通过理论推导和数值计算,分析了荒煤气在上升管内流动的对流传热和辐射传热问题。基于热平衡方程推导得到上升管内荒煤气流动传热微分方程,考察荒煤气进口温度、内壁面发射率、对流传热系数和斯坦顿数对上升管内壁面温度变化和荒煤气出口温度的影响。采用Matlab软件编制四阶Runge-Kutta计算程序求解,得出上升管内壁温度沿轴线方向的变化曲线和荒煤气的平均传热系数,荒煤气在夹套式上升管中的平均传热系数为30 W/(m^2·K)~36 W/(m^2·K),将此计算结果与他人的成果进行对比,吻合较好,误差为10%左右。结果表明:辐射传热过程主要受内壁面发射率和荒煤气进口温度的影响,内壁面发射率越大,辐射传热量越大;流体速度对对流传热的影响很大,随着流速的增加,对流传热量增大;焦炉在一个炼焦周期内,应该合理控制荒煤气的流量,可避免上升管内壁焦油的凝结;在设计上升管时,增大内壁面的发射率,可以提高上升管的传热效率。     

液固磁稳定床中的传热与传质特性研究

以电化学方法测定了SRNA-4催化剂为固相的液固磁稳定床中的液固传质系数,采用浸没的微型传热探头测量了液固传热系数。实验结果表明：随磁场强度、液体黏度的增大,液固传质系数及传热系数减小;增加表观液速,传质系数、传热系数均增大。进而建立了由物性参数及操作参数估算液固传质Sherwood数及液固传热Nusselt数的关联式,实验值与预测值吻合良好,可为磁稳定床反应器的放大设计和操作优化提供一定的依据。     

柱形流化床传热特性的数值模拟

对Shedid等搭建的圆柱体流化床采用欧拉?欧拉法进行三维数值模拟,考察了颗粒球形度、表观进气速度和床料初始堆积高度对流化床内垂直加热壁面与流动床料之间对流传热特性的影响,采用有效导热系数分别计算气相和固相的对流传热系数。结果表明,随表观进气速度增大,流化床内颗粒物料湍流运动加剧,加热壁面平均温度和流体平均温度下降,壁面流体间传热平均温度差减小,壁面流体间对流传热系数增大;随初始床料高度增加,流化床内颗粒与加热壁面的接触面积增大,导致固相平均对流传热系数增大。     

基于二维梯度树状肋相变储热系统强化传热机理

设计了双碟式光热-光电储热发电系统,针对相变储热系统传热特性进行研究,建立了六纵肋、雪花型肋、梯度树状肋相变储热模型,采用Fluent软件对石蜡蓄释热过程进行模拟。通过非稳态传热温度场和速度场的变化分析石蜡熔化和凝固的传热机理。结果表明,石蜡熔化过程伴随着热传导与自然对流的协同作用,凝固过程对流换热微弱以热传导为主。从场协同的角度分析,采用梯度树状肋使空间温度分布更均匀,可提高流体速度场和温度场的协同程度。石蜡熔化温度分别为315、340、360 K,完全熔化时间依次为224、374、703 s;完全凝固时间依次为3439、1089、842 s。可见,随着熔化温度的升高,完全熔化时间增长,完全凝固时间缩短。因此,在选择相变材料时要综合考虑熔化温度、蓄释热初温和终温及储热量的要求。     

基于二维梯度树状肋相变储热系统强化传热机理

设计了双碟式光热-光电储热发电系统,针对相变储热系统传热特性进行研究,建立了六纵肋、雪花型肋、梯度树状肋相变储热模型,采用Fluent软件对石蜡蓄释热过程进行模拟。通过非稳态传热温度场和速度场的变化分析石蜡熔化和凝固的传热机理。结果表明,石蜡熔化过程伴随着热传导与自然对流的协同作用,凝固过程对流换热微弱以热传导为主。从场协同的角度分析,采用梯度树状肋使空间温度分布更均匀,可提高流体速度场和温度场的协同程度。石蜡熔化温度分别为315、340、360 K,完全熔化时间依次为224、374、703 s;完全凝固时间依次为3439、1089、842 s。可见,随着熔化温度的升高,完全熔化时间增长,完全凝固时间缩短。因此,在选择相变材料时要综合考虑熔化温度、蓄释热初温和终温及储热量的要求。     

石蜡乳状液高温潜热输送材料的传热特性

石蜡乳状液高温潜热输送材料是一种在80～90℃之间存在相变的流体。由于相变潜热的存在,石蜡乳状液在相变区间内的储热、载热密度远大于水,且集储热与潜热输送于一体,适用于余热利用、太阳能利用和集中供热等领域,具有广阔的应用前景。研究了定热流条件下石蜡乳状液在管内的强制对流换热特性。结果表明,与纯水相比,虽然石蜡乳状液的有效比热大,但其对流传热系数低,且浓度越高,对流传热系数越低。实验发现入口温度对石蜡乳状液对流传热系数的影响不大,但随着入口温度升高,对流传热系数有增大的趋势。最后获得了石蜡乳状液对流换热量纲1关系式。     

方肋微通道内流动沸腾的气泡动态与传热特性分析

为揭示方肋微通道热沉内流动沸腾的传热传质机理,本文基于耦合VOF方法与“饱和界面”相变模型对微通道内单个气泡绕流加热方肋的传热传质过程进行了数值研究。通过分析该过程中气泡增长速率与方肋壁面传热系数的变化,重点讨论了初始气泡体积和入口雷诺数Re对相变传热效率和流动结构的影响。结果表明：在气泡流经加热方肋过程中,气泡与方肋表面之间形成一层薄液膜,该薄液膜的相变蒸发极大强化方肋表面的换热效果,换热系数较相同条件下的单相流动提升6倍以上。此外液膜厚度随Re增大而变厚,液膜热阻相应增大,液膜蒸发对换热的促进作用随Re增大而降低。最后考察了气泡体积对方肋壁面换热的影响,结果表明：初始体积大的气泡具有更薄的液膜厚度及更大的蒸发面积,表现出更高的相变传热效率;而小气泡对壁面温度影响较小。     

圆柱系统中石蜡/纳米银复合相变材料热特性分析

相变材料由于具有相变潜热,被应用于各领域的热管理。锂离子动力电池作为一种新能源,近年来广泛应用于电动汽车,相变冷却作为一种有效的被动冷却方式,能够有效减缓锂电池的热聚集。为将相变材料应用于减缓锂电池热失控,本工作建立了石蜡/纳米银复合相变材料(CPCM)的圆柱系统,使用相变模型及流体体积(VOF)模型研究了相变材料的融化过程,得到了初始时期空气/石蜡气液交界面的变化以及石蜡的液相分布,与实验结果具有很好的一致性。在此基础上分析了相变过程的吸热及储热情况。同时,针对不同质量分数的石蜡/纳米银复合相变材料进行模拟,结果表明,添加0.5wt%~2wt%的纳米银颗粒能够改善石蜡的导热性能,但潜热会有所降低。相变结束后,材料吸收的热量将转化为显热,底面传热减小,主要是通过壁面传热。另外分析了融化过程中液相的流动情况,相变材料液态层增厚,Nu数下降并趋于稳定,增加纳米银浓度也会降低Nu数。     

泡沫金属强化石蜡相变蓄热过程可视化实验

相变材料的低热导率是限制潜热蓄热广泛应用的重要原因。将相变材料石蜡真空条件下注入到泡沫金属铜内制备泡沫金属铜-石蜡复合相变材料,通过铜的高热导率及高孔隙材料的大面体比来强化相变换热过程。采用DSC示差扫描量热法对石蜡进行热物性测量获得准确的石蜡相变温度及相变潜热。以管壳式相变蓄热结构为对象,提取对称结构进行可视化设计,对比纯石蜡及泡沫金属铜-石蜡复合材料在相同运行条件下的相变过程,追踪二者熔化过程的相界面位置随时间的演化过程并布置热电偶准确测量材料内部的温度分布。结果显示加入泡沫金属后的复合材料的内部温差明显减小,温度分布均匀,蓄热热通量显著增大,有效缩短相变时间并缓解了自然对流造成的顶部过热和底部不熔化现象。     

Heat transfer to an immiscible liquid mixture and between liquids in direct contact

Heat transfer to a mixture of two immiscible liquids has been studied in connection with the development of a process for the desalination of sea water. The liquid system consisted of water and refined mineral oil, produced by BP under the trade name of Energol WM-2.Heat transfer to water drops descending through the mineral oil was also investigated. The drag coefficients of the drops in motion were expressed as a function of the Reynolds number. A good correlation was obtained for the heat transfer coefficient expressing the Nusselt number in terms of the Peclet number.Heat transfer to a mixture of two immiscible liquids in co-current turbulent flow without phase change was extensively studied. Friction factor and heat transfer for the oil-in-water type mixtures were theoretically expressed in terms of the volume fraction of oil. The experimental data checked the theoretical derivation quite satisfactorily. No correlations could be obtained for the water-in-oil systems.Similar studies were made for heat transfer in the laminar and turbulent flow with phase change, using a pilot-plant evaporator. Curves were obtained relating the convective heat transfer coefficient to fluid velocity for the liquid mixtures. It was established that, the heat transfer coefficient in evaporation decreased by velocity in the laminar region, but increased in the turbulent region.     

烧结矿余热回收竖罐内气固传热特性

以自制气固传热实验装置为操作平台,实验研究了烧结矿颗粒填充床内的气固传热特性。结果表明:气体表观流速和烧结矿颗粒直径是影响颗粒床层内气固传热过程的主要因素。气体表观流速越大,颗粒直径越小,床层内气固传热系数就越大。当烧结矿颗粒直径和气体表观流速一定时,床层内烧结矿颗粒温度的升高导致床层气固传热系数的增加和传热Nusselt数的减小。由于计算误差较大,现有的经验关联式不适用于求解烧结矿颗粒床层内的气固传热过程。基于量纲分析法,并结合实验测量数据拟合得出了能够描述烧结矿颗粒床层内气固传热特性的实验关联式,平均计算误差为4.22%,显示了良好的预测性能。     

冻结液滴融化过程中的表面及界面演化特性分析

液滴在血浆储存、航空航天等技术领域广泛存在,而其机理研究主要集中在冻结阶段,对融化阶段的研究则相对较少。故此,本文通过液滴可视化实验,发现并归纳了冻结液滴在不同材料表面、不同基底温度下融化过程的动态表面及界面演化模式,总结了液滴表面扩散系数、高度系数、相界面偏离度等形态演化参数与相变时间之间的变化规律并对其展开分析。结果表明：冻结液滴存在3种不同的表界面演化模式;在熔融中后阶段,金属材料（纯铝板、镀锌板）表面冻结液滴的冰相区以颗粒群状分布态融化,冰晶结合度低,而高分子聚合物材料[有机玻璃（PMMA）及聚氯乙烯（PVC）试板]表面冻结液滴的冰相区呈块状分布态融化,冰晶结合度高;金属类材料表面冻结液滴的相变速率高于聚合物类材料表面冻结液滴的相变速率,金属表面相变时间在100s以内,而聚合物表面冻结液滴的相变时间在300s以内;金属表面最大扩散系数分布区间为0.950~1.021,聚合物表面最大扩散系数分布区间为1.000~1.076,温度高,则各类材料表面液滴的微观前驱膜移动受阻,液滴的表面润湿过程受阻;金属表面冻结液滴的高度系数及冰相高度变化率受冰相区变化影响,聚合物表面则主要受温度影响;温度升高会使热量传递过程不稳定,加剧聚合物表面冻结液滴偏离度位移的波动性。     

水基石墨烯纳米流体在矩形小槽道内的流动换热特性

测试了水基石墨烯纳米流体的部分热物性,研究了不同浓度、雷诺数(Re)和加热功率条件下水基石墨烯纳米流体作为换热工质在设计的矩形结构小槽道内的对流换热性能。结果表明,层流状态(Re=500~2000)下,矩形槽道壁面温度随Re增大逐渐降低,随加热功率增大逐渐升高,与常规流体换热特性一致;在相同Re和换热功率条件下,随纳米流体浓度增大,壁温逐渐减小;水基石墨烯纳米流体的换热强度比基液去离子水提升较大,Re=2000、加热功率为210 W时,浓度为0.03wt%的水基石墨烯纳米流体的平均努塞尔数(Nu)为9.3,比基液水提升48.8%;受入口效应影响,沿槽道长度局部对流换热系数逐渐减小,最高可达25674.5 [W/(m2?℃)],较基液水最大可提高39.1%;Re=500~1400时,石墨烯纳米流体的流动换热强度随Re增大明显增强;由实验数据结合理论模型拟合了适用于石墨烯纳米流体对流换热强度的计算式,计算结果与实验结果最大相对误差不超过25%,平均相对误差仅为4.8%。