并联双通道内超临界水的脉动传热特性

在压力26~30 MPa,时均质量流速420 kg·m^-2·s^-1、热通量0~130 kW·m^-2工况范围内,对垂直上升并联双通道内超临界水的脉动传热特性进行了实验研究。根据实验数据分析了流量脉动对壁温的影响,脉动振幅率(A_f)和脉动频率数（Wo）对时均Nusselt数的影响,并将脉动时均Nu与超临界传热关联式进行了比较。结果表明：壁温随流量脉动而波动,脉动周期相同,相位相反,流量脉动振幅越大,壁温波动也越大;低频脉动时均Nu随脉动振幅率的增大逐渐减小,随脉动频率数的增大先减小后基本不变;高频脉动时均Nu随脉动振幅率的增大而缓慢增大,随脉动频率数的增大而减小;关联式预测的Nu较实验值普遍偏高。     

分相式多孔壁微通道流动冷凝传热强化与减阻

微通道换热器应用广泛,强化传热和减阻是新型换热器设计的重要目标。为了同时实现这两相目标,本文提出了一种分相式多孔壁微通道冷凝器,利用微针肋阵列组成的多孔壁在冷凝传热过程中实现了汽液两相分离。采用实验研究方法对比了分相式多孔壁微通道与普通实心壁微通道的流动和传热特性,结果证明分相式微通道在冷凝传热中同时具备强化传热和减阻的作用。深入研究了通道内两相流动摩擦耗散原理并提出了相分离减阻理论,指出汽液两相流内部摩擦耗散的减小是分相流减阻的关键。另一方面,分相过程使针肋换热面侧壁直接与高温蒸汽接触,极大消减了蒸汽与换热壁面之间的传热液膜厚度。沿流动方向不断扩展的液通道截面与不断减缩的汽通道截面积适应了流动冷凝过程延工质流动方向"水渐多,汽渐少"的规律,保证沿程传热效果不会恶化。     

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.     

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。     

超低流阻板式换热器减阻强化传热的研究

在分析超低流阻板式换热器的流动及传热特性的基础上, 提出了减阻强化传热的概念, 并开发了一种新型的扰流件用来实现超低流阻板式换热器的减阻强化传热。通过实验研究给出了相应的传热及流阻关联式,发现只要操作的Ｒｅ数选择适当, 就能够达到预期的效果, 为该板式换热器进一步用于大流量气气换热开辟了一种新途径。     

内插不同形状涡产生器管内层流流动与传热特性的对比分析

内插扰流元件是一种可操作性强的管内强化传热方式，其强化传热机理主要是在管内诱导产生了二次流。在均匀壁温热边界条件下，对内插不同形状涡产生器管内层流流动与传热特性进行了数值分析。研究发现：在扭带基础上裁去部分面积相同的条件下，管内插等腰梯形涡产生器的换热能力最强，直角梯形涡产生器次之，矩形涡产生器的换热能力最差，管壁上的局部Nusselt数的峰值所在圆周位置及其大小与涡产生器形状有关，而不同形状的涡产生器对管内流动的阻力系数影响较小。插入涡产生器后，管内二次流强度参数Se和平均Nusselt数Nu均随Reynolds数Re的增大而增大，二者随Reynolds数Re的变化规律具有一致性。平均Nusselt数Nu与二次流强度参数Se呈幂函数相关，内插涡产生器管内的二次流强度决定了其对流换热强度。     

错流旋转填料床的质、热同传性能及传热机理研究

为了研究错流旋转填料床的质、热同传性能,采用热空气-氨水体系,考察了进气温度T、超重力因子β、液体喷淋密度q和气速u对错流旋转填料床传热性能的影响,在相同实验条件下对比了丝网填料和乱堆填料的传热性能。研究结果表明：气相体积传质系数k_ya_e、体积传热系数(Ua)_s随进气温度、超重力因子、气速、液体喷淋密度的增大而增大;传热效率ε、传热面积A随超重力因子、气速、液体喷淋密度的增大而增大;传热系数K随超重力因子、气速、液体喷淋密度的增大几乎不变,从而揭示了错流旋转填料床强化气液直接传热的机理是通过提高传热面积进而提高体积传热系数,而不是显著提高传热系数。在相同条件下,以丝网为填料时k_ya_e和(Ua)_s分别是乱堆填料的1.09~1.63倍和1.24~3.53倍。     

低雷诺数脉动流传热二次流关联性分析

为探究二次流与低雷诺数脉动流传热的关联性,以"二次流"现象为切入点,"涡及涡运动"为视角,对三角槽道水工质进行了传热实验研究。研究表明,伴有有序涡旋运动的"二次流"通过槽道内流体与主流流体之间的掺混影响热量输运,进而干涉对流换热效果;Strouhal数(St)主要影响涡旋运动路径,相对振幅(A)主要影响涡旋的强度及区域;二次流强度可以用于表征脉动流传热机理。热量输运过程的优化在于:通过调节脉动参数,控制流场中的涡旋运动,改善近壁区的热量装载效率以及主流区的热量输运路径。     

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。     

新型纵流油冷却器壳程强化传热

提出一种新型扭曲三叶管纵流油冷却器强化传热方案,对其壳程的传热与压降特性与扭曲椭圆管油冷却器和传统折流板油冷却器进行了实验对比分析。结果显示,在相同油流量下,扭曲三叶管油冷却器壳程的传热系数、压降和传热系数比压降值（h/?p）分别比传统折流板油冷却器高138.7%~90.5%、19.6%~37.8%和77.2%~130.4%;分别比扭曲椭圆油冷却器高257.8%~298.6%、140.5%~158.4%和40.1%~65.7%,表明扭曲三叶管油冷却器具有很好的强化传热效果。并对其强化传热机理进行了分析,在壳程雷诺数（Re）为80~550的范围内,拟合获得了扭曲三叶管和扭曲椭圆管两种纵流油冷却器壳程努塞尔数（Nu）和摩擦因子（f）关联式。     

渐扩渐缩波纹通道内脉动流的传热强化

采用曲线坐标系下压力与速度耦合的SIMPLER算法, 数值研究了周期性渐扩渐缩波纹通道内脉动流动与换热情况,流动Re数的范围为10～1000,Pr数为0.7.计算考察了不同Re数、脉动频率以及振幅对通道内强化传热和压力损失的影响.研究结果表明,稳态下Re数大于40以后,流动出现分离,Re数大于600以后,流动显得复杂和混乱;受入口脉动流的影响,通道内的旋涡发生周期性的脱落、增长和迁移,从而增强了流体之间的扰动和掺混,强化了传热;传热的强化效果随着流动Re数、脉动频率以及振幅的增大而增强;另外,流动阻力随着无量纲时间呈正弦规律变化,但与脉动频率无关.     

有序涡旋对三角槽道脉动流强化传热的影响

以水为工质对三角槽道内单相液体充分发展层流脉动传热特性进行了研究。应用粒子图像测速技术（PIV）测得流场内涡的变化规律,从“涡及涡运动”的角度揭示了“有序”的涡生长及迁移过程对脉动流强化传热的影响。此外,应用“场协同”理论,通过数值模拟深入分析了流场特性与传热之间的关系。研究发现,“有序”的涡生长及迁移过程,破坏了流体边界层,促进了近壁区热流场与速度场的协同,同时,强化了三角槽道内流体与主流区流体的掺混,热量输运能力提升;存在最佳的Strouhal数（St）,使得涡旋既能充分发展又能在较短时间脱落进入主流,实现最大效率的壁面换热;有序涡旋对速度场、温度梯度场以及压力梯度场三者协同性的改善是换热性能提升的关键。     

单环路液氢温区脉动热管高充液率工况计算流体动力学（CFD）模拟

针对液氢温区单环路脉动热管建立了二维数值模型，分析了80%充液率条件下脉动热管不同阶段的流动及传热特性。在本研究中，流体体积函数（VOF）方法被用于追踪气液相界面，恒热通量和恒温分别作为蒸发段和冷凝段的边界条件，蒸发段的加热量逐渐从0.27W增加到1W。模拟的传热热阻与实验值的误差不超过15%，验证了模型的有效性。同时得到了脉动热管初始阶段的气液分布与压力分布，通过气体体积分数云图分析了启动阶段气塞的运动，结果显示在本研究中工质经过两次循环完成启动，根据工质流动方向的变化每次循环又可以分为三种流动方式。进入稳定阶段后，脉动热管内的工质主要呈顺时针循环流动，蒸发段的壁面温度呈周期性的振荡。在加热量较低时，温度振荡频率较低，传热热阻较大；随着加热量的增加，振荡频率增加并趋于稳定，热阻先减小而后不变。     

不同位置射流强化螺旋通道传热性能分析

为了进一步提高并更合理评价射流强化螺旋通道内流体换热的综合性能,改进了射流管的安装位置并提出新的强化传热评价指标。采用实验和数值模拟对比研究了在圆形截面螺旋通道的内侧壁面和外侧壁面分别施加射流的强化传热效果。数值模拟结果与实验测量结果吻合较好。基于相同质量流量,探究了射流入射角度α以及射流与主流质量流量比ε_jm对强化传热特性的影响。考虑射流带来的附加功耗增加,提出以热功系数比(hpc)为评价指标对比分析了综合强化传热效果。结果表明,在α=30°～80°、ε_jm=0.1～1.5的研究范围内,与外侧壁面施加的射流相比,内侧壁面施加的射流对流体扰动更强,传热增强效果更好,同时消耗总功耗更小。当ε_jm=0.5、α=60°时,射流对螺旋通道的综合强化传热效果最佳,内侧、外侧壁面射流下的hpc最高值分别为1.39和1.32。     

板间距对三角槽道脉动流流动阻力的影响

以水为工质对不同板间距的三角槽道脉动流流动阻力特性进行了研究。基于受力平衡方程,建立了适用于三角槽道脉动流压降的数学模型,用于理论分析流动阻力的影响因素。通过实验测试与数值模拟,校验数学模型的合理性,并且对三角槽道脉动流流动阻力进行分析。结果表明,流动阻力主要受板间距、涡旋拟“能”两方面因素影响,且与板间距呈反比,与涡旋拟“能”呈正比;板间距的缩小,会使流动阻力增加,当缩小到板间距与槽深比值为1.0时,出现流动阻力的阶越式增长,上升1个数量级;造成流动阻力骤升的主要原因在于：随着板间距的缩小,流场结构逐渐变化,三角槽道内涡旋的影响区域由“三角槽内部”逐渐转变为“整个流道”,且主流区壁面出现流动分离,出现涡旋流动与波状流共存现象,使流动阻力大幅提升。     

层流中脉动气流横掠平板强化传热

为研究脉动气流下等热流密度平面的换热特性,搭建了脉动气流强化传热实验台架,进行了不同雷诺数（Re=433～1733）的脉动气流下高温共烧陶瓷发热片组的换热实验研究,脉动气流的脉动频率f固定为30 Hz,脉动振幅prms固定为165 Pa。结果表明,在合适的脉动参数下（f=30 Hz, prms=165 Pa）,脉动气流有效地强化了等热流密度平面的换热性能,本文获得的强化换热效率介于9.7%和10.8%之间,随着雷诺数的增加轻微地线性增加。另外,结果揭示了在层流流动中,不管在稳定气流下还是在脉动气流下,等热流密度平面的换热性能都随着雷诺数的增加而线性地增加,但脉动气流下线性拟合的结果的斜率较大,为稳定气流下的斜率的1.26倍。最后,结果显示了在稳定气流中加入脉动分量能迅速增大换热面下游的温度水平,预示着脉动气流在强化传热的同时,也增强了气流内部的热传递。     

连通微通道内过冷流动沸腾传热强化机理分析

连通微通道（平行主通道由支流通道连通）流动沸腾传热具有优越的换热性能,但其传热传质强化机理尚不够明确,限制了其实际应用。鉴于此,本文基于流体体积函数（VOF）方法,对连通微通道内过冷流动沸腾进行二维非稳态数值模拟,研究了流场扰动、脱落汽泡与壁面间的薄液膜分布对微通道当地传热系数的影响规律。结果表明,连通微通道存在两种强化换热机理：支流通道脱落汽泡可增强主通道流场扰动,进而促进了通道热边界层再发展;脱落汽泡与热壁面间可形成薄液膜,该薄液膜减小了换热热阻。同时研究了支流通道倾角（θ）对连通微通道强化换热的影响,结果发现,不同θ时,连通微通道整体平均传热系数提高10.51%~17.66%,单个主通道平均传热系数最高可提升27.94%,且θ=45°时连通微通道具有最佳换热特性。该研究有望为芯片高效冷却结构的设计提供指导。     

A NUMERICAL STUDY OF TURBULENT HEAT TRANSFER IN A CHANNEL WITH BENDS USING REYNOLDS-STRESS MODEL

A numerical study is reported on the flow and heat transfer in a channel with two right-angle bends. The Reynolds-stress turbulence closure model is introduced for the computation of the flow field. The solution method of the governing transport equations is based on the finite volume method which incorporates the modified hybrid scheme. The computations are made for step ratios H/W = 1-4 and for Reynolds numbers Re = 3000-10,000. The complex patterns of the Reynolds stresses in the perpendicularly corrugated wall channel are analyzed and the mechanisms of heat transfer are explained with regard to the mean flow motions. The computed Nusselt numbers are compared with both experimental data in the literature and the computations which were obtained by using the κ-ε model.