缠绕管式换热器壳程强化传热性能影响因素分析

由于内部流场信息缺乏,结构参数对流体流动的影响规律不明确,致使缠绕管式换热器壳程强化传热机理不明晰,阻碍其设计准则的进一步规范化和通用。针对上述问题,对缠绕管式换热器壳程流体流动进行几何建模及数值模拟,并通过文献中实验数据进行验证,进而基于该模型对壳程流体流场特性进行详细分析,分析关键结构参数对其壳程传热与阻力性能的影响,并探讨其强化传热机理。结果表明:Realizable k-ε湍流模型可较为准确地描述壳程流体流动;在双对数坐标系内,壳程Nusselt数随Reynolds数的增大而增大,阻力系数f则呈线性降低的趋势;壳程Nusselt数随缠绕管直径d与平均缠绕直径D的增大而增大,随螺距S的增大而减小,阻力系数f则相反;缠绕管直径d对壳程流体传热与阻力性能的影响最大,平均缠绕直径D的影响最小;增大缠绕管直径d与平均缠绕直径D有利于破坏流体速度边界层,增强流体扰动,加快温升速度,强化壳程传热,而增大螺距S则使速度边界层变厚,减小流动阻力的同时降低温升速度,不利于壳程强化传热。     

管内周期性自旋流强化传热的结构优化

在圆管内间隔插入多个旋流片的流道中,流体流动呈现周期性自旋流.用数值模拟方法对空气湍流情况的传热和流阻性能受相邻旋流片间距L_p、旋流角β和旋转角α3个因素的影响进行了分析,并得出旋流片的优化结构,而且实验验证了数值模拟预测的正确性.结果表明：α越大,传热性能越好,阻力越大;L_p越小,传热性能越好,阻力越大;β越大,传热性能越好,而阻力损失因受到摩擦阻力和形体阻力的综合影响而呈现非单调变化.旋流片的最佳结构参数为：旋流角β为20.3°,旋转角α为180°,相邻旋流片间距L_p为33d.与α相比,β对传热和流阻性能的影响更显著.     

结构参数对缩放管性能影响的数值模拟研究

采用数值模拟方法,对具有不同结构参数的缩放管进行了研究,从管内流动状况、传热与阻力性能以及综合性能等方面分析了肋高和扩缩比对其的影响.结果表明,肋高越大,缩放管的传热性能越好,但同时管内阻力损失也越大；扩缩比越小,缩放管的传热性能越好,且扩缩比越接近1,管内阻力损失越小；在研究范围内,肋高e=0.8,扩缩比γ=1的缩放...     

缠绕管式换热器壳程强化传热性能影响因素分析

由于内部流场信息缺乏，结构参数对流体流动的影响规律不明确，致使缠绕管式换热器壳程强化传热机理不明晰，阻碍其设计准则的进一步规范化和通用。针对上述问题，对缠绕管式换热器壳程流体流动进行几何建模及数值模拟，并通过文献中实验数据进行验证，进而基于该模型对壳程流体流场特性进行详细分析，分析关键结构参数对其壳程传热与阻力性能的影响，并探讨其强化传热机理。结果表明：Realizable k-ε湍流模型可较为准确地描述壳程流体流动；在双对数坐标系内，壳程Nusselt数随Reynolds数的增大而增大，阻力系数f则呈线性降低的趋势；壳程Nusselt数随缠绕管直径d与平均缠绕直径D的增大而增大，随螺距S的增大而减小，阻力系数f则相反；缠绕管直径d对壳程流体传热与阻力性能的影响最大，平均缠绕直径D的影响最小；增大缠绕管直径d与平均缠绕直径D有利于破坏流体速度边界层，增强流体扰动，加快温升速度，强化壳程传热，而增大螺距S则使速度边界层变厚，减小流动阻力的同时降低温升速度，不利于壳程强化传热。     

翅片板式传热器双流道传热与流动数值模拟

焊接型板式传热器的紧凑性好、质量轻、传热性能好、初始成本低等优越性已越来越被人们所认识,因此人们纷纷对板式传热器内流动状态和传热机理展开研究。鉴于此,本文运用数值模拟软件Fluent对全焊接翅片板式传热器双流道进行模拟,在此基础上又进行了实验研究及实验数据与数值模拟的对比分析,得出不同结构参数和操作参数下翅片的传热系数和压力降,并分析翅片高度和翅片间距对翅片传热性能与流动阻力的影响。结果表明：①固定冷侧的入口速度和温度,热侧的传热系数和压降随之热侧入口速度增加而增大;②板间距一定时,翅片高度并非越高传热性能越好;③翅片间距越小,传热性能越好。     

地沟油生物柴油在旋流喷嘴中的雾化实验及模拟

对地沟油生物柴油在旋流雾化喷嘴中的内部流场及外部流场进行数值模拟,考察了喷嘴孔径、旋流芯螺距、螺柱槽道横截面积和槽道形状等结构参数对出口雾化速度及索特平均直径的影响,通过实验对模型进行了验证。结果表明,0.7 mm孔径的喷嘴的韦伯数最大,索特平均直径与雾化锥角最优。螺距4 mm的喷嘴雾化特性最优,旋流芯螺距越小,流体在喷嘴内旋流次数越多,阻力损失越大,流体在切向分量上速度越大。梯形槽道的雾化效果最好,相同横截面积下槽道的水力直径越大,雾化效果越好;截面积1 mm2槽道的喷嘴最优,槽道横截面积越小,流体在槽道中的湍流程度越大,流体内部剪切应力越大,液体表面不稳定波急剧增大。     

CO2水合物浆作为空调载冷剂的流动和传热特性研究进展

综述了国内外在CO2水合物浆的流动和传热特性方面的最新研究进展。在流动特性部分,介绍了流体的五大类型(牛顿流体、假塑性流体、膨胀性流体、宾翰流体和赫-巴流体)以及CO2水合物浆的表观黏度计算公式,研究表明CO2水合物浆是非牛顿流体,表观黏度较小,因而具有优秀的流动性能;在传热特性部分,介绍了水合物浆在板式换热器中的总体换热系数计算方法,研究表明CO2水合物浆的对流换热系数高达3658W/(m2·K),因此有优秀的传热性能,而且传热性能会受到晶体直径和分布规律、流速、固体含量和管道尺寸等因素的影响。综上所述,CO2水合物浆具有良好的流动和传热特性,在空调领域有着广阔的应用前景。最后简要展望了今后的研究重点。     

带有三角翼涡发生器的螺旋通道强化换热研究

采用数值模拟方法探究了带有三角翼型涡发生器的半圆形截面螺旋通道内流体流动与强化传热性能，考察了相邻三角翼间隔角φ、长高比Г对强化传热性能的影响。结果表明：通道内安装三角翼的φ值越小，对流体的整体扰动作用越强，强化换热效果越好，但同时流动阻力也越大；研究范围内，φ=180°布置的三角翼综合强化传热效果最佳。同一雷诺数Re条件下，三角翼Г值越大综合传热系数PEC值越高。φ=180°、Г=2.50时，综合传热系数PEC在1.029～1.062之间。     

填充沸石的大型离子交换柱内流场模拟

针对沸石法海水富钾工程化放大中的关键问题,采用Fluent中多孔介质模型对填充沸石的大型离子交换柱内流场进行了模拟研究。主要考察了沸石的孔隙率和颗粒直径、海水进口速度、沸石柱长径比以及柱内形成的沸石层凹坑等条件对离子交换柱内流体流动的影响,结果发现：孔隙率和颗粒直径直接关系到沸石层内流体的速度分布,海水进口速度、沸石柱长径比等条件对沸石层内的流体流动并无显著影响;而在孔隙率和颗粒直径确定的条件下,由于海水冲击形成的凹坑对沸石层内流体影响较大,会在凹坑两侧形成滞留区,进而影响沸石对海水中钾的吸附。根据模拟结果优化了填充材料、设备结构以及工艺等参数,为沸石法海水富钾关键装备进一步扩大规模提供了理论支撑。     

周期性变截面微通道结构参数对流体流动和传热的影响

周期性变截面微通道扇形凹穴的设计,使通道内流体流动分为等直径流速型和弧形流速型,因此微通道的等直径段和弧形段的长宽度等结构参数对流体流动和传热有重要影响。针对周期性变截面微通道单相液体流动与传热特性,利用计算流体力学(CFD)模拟与分析软件进行了三维数值模拟。模型采用有限体积法离散、SIMPLEX算法进行层流计算。分析结果显示,等直径段和弧形段的长宽度等结构参数对周期性变截面微通道流体流动特性和传热特性有重要影响。在本文的模拟条件下,u=4 m·s^-1时,其最佳结构参数范围为0.151/L₂<2,1.42/W₁<2.1。     

Heat Transfer and Friction Characteristics for Turbulent Flow of Dimpled Tubes

The hydrodynamic and heat transfer characteristics of dimpled tubes with different arrangements were investigated in this paper. The dimples on the tube are outward‐facing, raised, with aligned and staggered arrangements. The experiments were carried out in counter‐current flow patterns with cold air along the tube inside and hot water around the outside of the tube. The Reynolds numbers of air flow were in the range of 1.6·10⁴ to 5.4·10⁴. By comparing the performances among three tubes (smooth tube, dimpled tube with aligned arrangement, and dimpled tube with staggered arrangement), we could find that the dimpled tubes enhanced the Nusselt number by about 18.6～22.7 %, while the friction factors of the dimpled tubes increased by 18.6～25.9 % for the aligned arrangement and by 14.3～29.8 % for the staggered arrangement. The test results also showed that different dimple arrangements have very little effect, which is always within 5 %. By the integrated performance evaluation of (Nu_a/Nu_s)/(f_a/f_s)^1/3, the maximum of the heat transfer enhancement with the same friction penalty, about 19 %, could be achieved by optimization of the dimpled‐tube design.     

螺旋槽管槽深对定子水冷器传热与阻力特性的影响

螺旋槽管与折流栅组合的高效水冷器的传热和阻力特性与其管、壳程的结构因素密切相关,本文就螺旋槽管槽深对水冷器管、壳程传热与阻力特性的影响进行了实验研究.结果表明：壳程流速变化对水冷器传热系数的影响更加明显,即壳侧热阻相对较大,强化传热应以强化壳侧换热为主要目标;螺旋槽管槽深对水冷器传热系数的影响很大,应在实际工程设计中确保实际槽深符合设计要求;槽深越深,管壳程阻力也相应增加,即传热的强化是以阻力增加为代价.根据实验结果还得到了不同结构水冷器的管、壳程换热与阻力计算关联式.     

扭曲三叶管传热与流阻性能的数值研究

扭曲管换热器是一种新型高效换热器。在扭曲管强化传热机理研究的基础上,提出了一种新的扭曲管管型--三叶管。验证了标准k-ω湍流模型在圆管及扭曲椭圆管计算中的精确度,并采用该湍流模型对扭曲三叶管Re在4000～20000范围内的传热和流阻性能进行了研究。计算结果表明,扭曲三叶管的Nusselt数比扭曲椭圆管大,虽然压差增大较多但综合传热性能比扭曲椭圆管高。这是由于扭曲三叶管特殊的三叶区结构以及过渡区曲率的变化,使得三叶管内的螺旋流动比椭圆管更为复杂,速度场与温度梯度场的协同程度更好。随着Reynolds数的增大扭曲三叶管的压差及Nusselt数都逐渐增大,但综合性能逐渐降低,在低Reynolds数下扭曲三叶管的强化传热效果较为明显。内切圆直径及过渡圆弧直径越小,扭曲三叶管的综合性能越好,其中内切圆直径的影响更为显著。     

高压高过冷度下过冷流动沸腾数值模拟

采用双流体模型对高压高过冷度下垂直圆管中水的过冷流动沸腾进行了数值模拟。通过对比不同气泡直径模型,揭示了气泡直径对于壁面传热方式的影响,确定了适合高压工况的气泡直径模型。考察了压力及壁面热通量对流动及传热特性的影响。计算结果表明,压力增加气泡脱离直径减小,单相对流传热所占比例增加,表面传热系数减小。高压高过冷度特征决定了气泡相分布极不均匀,随着热通量的增加,壁面附近容易形成气泡的密集,对过冷流动沸腾中的传热特性有重要影响。     

CO2微细通道流动沸腾换热干涸特性

针对二氧化碳作为制冷剂在微细通道内两相流沸腾换热进行了实验与理论研究,采用红外成像观测与传热系数实验研究,定量与定性地分析了热通量2～35 kW·m^-2,饱和温度-10～10℃工况时,内径为1、2、3 mm圆管内的传热系数。实验结果表明:当质量流率增加时干涸起始干度逐渐降低,当质量流率小于临界值时,干涸现象结束之后,传热系数随着质量流率增加基本维持不变,而当质量流率大于临界值时,干涸现象结束之后,随着质量流率增加传热系数相应增加;随着管径增加,干涸发生的质量流率越小,临界热通量越大,同时管径越小传热系数越高。     

纵肋管束换热器特性研究

对纵肋管束换热器的传热、阻力特性进行了试验研究,得出其实验关系式.以此分析管束节距的影响,指出横向节距是决定纵肋管束流阻的首要因素,增加横向节距将大幅度减小流胆;而横向节距和纵向节距对换热的影响程度基本相同.对于1组节距为S_t/D=3.29、S_l/D=1.6的纵肋管束,其实际换热系数可增加9%～12.5%,流阻系数可降低15%～65%.结果表明,纵助管束具有低流阻特性和较强的传热强化作用.     

超临界二氧化碳在微细管内的换热特性

建立了内径为1.31 mm单管的三维模型,使用CFD软件Fluent分析了超临界二氧化碳在竖直微细管道内的换热特性,并对热通量、进口质量流速、流动方向和压力对超临界二氧化碳换热和压降的影响进行了研究。数值结果表明：增加进口质量流量能够使壁面边界层减薄,增强换热效果。改变热通量的大小对超临界二氧化碳换热和压降影响很小。由于重力和浮升力的影响,流动方向对换热性能的影响较大,流体竖直向上流动时的传热系数大于竖直向下和水平方向流动时的传热系数。     

螺旋套管换热器壳程流体湍流换热热力性能数值研究

利用计算流体力学软件对内管为螺纹管的螺旋套管换热器壳程流体的湍流流动和换热性能进行了数值模拟。通过与内管为光管的研究结果对比,揭示了内管为螺纹管时壳程流体的速度场和温度场分布,研究了雷诺数、槽高对壳程流体湍流流动及换热性能的影响,并利用场协同原理初步揭示了螺纹复合螺旋流动强化流体换热的机理。结果表明,螺纹内管的螺纹凸起对螺旋套管换热器壳程流体的扰流和导流作用明显,在研究范围内(Re=10 000~24 000),内管为螺纹管的螺旋套管换热器壳程流体的传热效率较内管为光管的模型最大提高了22.1%;结构参数相同时,随着Re增大,螺旋套管换热器壳程流体的Nu逐渐增大,阻力系数f逐渐减小,综合评价因子Ψ逐渐减小,在研究范围内,Nu最大增加了85.6,f最大减少了0.008,Ψ从1.35减小至1.18。当Re一定时,当量高度h'增大,f逐渐增大,Nu先增大后减小。由场协同原理分析得出,h'=0.220时,在螺纹凸起扰流和导流的作用下壳程流体的温度场与速度场协同性能较好,综合评价因子Ψ最大,螺纹的优化当量高度h'宜取约0.220。     

内插螺旋立式上行管流场及传热性能的实验研究

通过粒子图像测速流场实验与传热实验相结合，研究了内插螺旋立式上行管的螺旋节距、丝径、中径比等结构参数在不同Re下对流场、阻力及传热性能的影响。结果表明，内插螺旋能够有效扰动和混合管内流体，使管内形成多个纵向旋涡的流体结构、增大管壁附近液体涡量，有利于强化传热。当Re相同时，管内平均流速v、Nu和综合换热性能PEC均随丝径增大而增大，随中径比减小而增大；随节距增大，3种参数均出现增大的趋势，节距大于20 mm后开始减小。管内流体的阻力f随丝径和节距增大而减小，随中径比增大而增大。综合比较，在较低Re时，节距p=20 mm、丝径e=1.6 mm、中径比D/d=0.75时综合传热效果最好。