圆管内稳态湍流的速度分布

本文提出一种新的简捷关系式,用于计算圆管内稳态湍流的时均速度分布。将圆管内湍流核心区域的流动看作粘性层流与无粘性理想流动之间的一种过渡形态,因而湍流的速度分布是部分理想流体平推流与层流叠加的结果。其中,粘性层流的权重与雷诺数大小有关。大量计算结果表明,在雷诺数5,000￣1,000,000范围内,新关系式所计算速度分布与对数型通用速度分布基本一致,同时新的速度分布式在圆管中心处无数学奇点。     

应用热阻分析缩放管强化传热机理

应用分析求解和数值模拟方法对光滑圆管与缩放管内的湍流对流传热的热阻分布进行了计算,计算结果表明,光滑圆管的热阻主要位于粘性底层,缩放管通过壁面缩放,减小了粘性底层的热阻,湍流区成为热阻分布主要区域。在流动粘性底层,缩放管的热阻降低归功于该层厚度的降低,在流动粘性底层以外的传热粘性底层,则是边界层厚度的降低、速度矢量与温度梯度的协同影响。随Re数增大,圆管与缩放管各层热阻均减小,流动粘性底层以外的传热粘性底层的降幅最大。     

Al_2O_3-水纳米流体在微圆管内的流动特性

测定了不同体积分数下A l2O3-水纳米流体在内径0.193 mm和0.508 mm 2种玻璃微圆管内的流动阻力特性。结果表明:纳米流体流动从层流向湍流转变的临界雷诺数Rec发生在2 100附近;对0.508 mm微圆管,纳米流体由层流向湍流的转变与去离子水基本一致,对0.193 mm微圆管纳米流体流型转变较去离子水略有提前。在雷诺数小于1 500—1 700的层流范围,纳米流体和水的摩擦因子都与经典理论预测值吻合良好,同Hagen-Poiseu ille公式偏差小于7.5%,雷诺数大于此范围后前者的摩擦因子比后者和理论值有所偏高;而在过渡区和湍流范围,纳米流体的摩擦因子比水有较大提高,且随体积分数增加摩擦因子增加的趋势更为明显。     

圆管内纳米流体层流流动及强化传热的数值研究

采用Al2O3-水纳米流体作为工质,用数值模拟方法对其圆管内层流流体的流动及换热过程进行了可视化研究,在雷诺数600~1200的范围内,分析了不同雷诺数下的流动换热效果及浓度对纳米流体层流传热性能的影响。结果表明：纳米流体中纳米颗粒的加入对流动通道内的速度和温度分布影响较大。随着纳米流体浓度的增加,流体的传热系数增大,...     

湍流对传热传质过程的影响

一百多年前,雷诺(Osborne Reynolds)通过实验和理论分析认为,流体充满导管作稳定流动时,流体的流动状态有两种:层流和湍流。当雷诺数小于2100时,为层流;当雷诺数大于4000时,为湍流;当雷诺数在2100和4000之间,属于从层流转变为湍流的过渡状态。不管是层流还是湍流,在极靠近管壁处有一层很薄的流体始终保持为层流,叫作层流边界层。层流边界层对传热和传质过程有重大影响。     

格拉斯霍夫数物理意义的种解释方法简

格拉斯霍夫数是将影响对流传热膜系数因素进行量纲分析得到的无量纲数。国内外几乎所有《化工原理》教材均将其解释为表征自然对流的影响,但解释过程均较为模糊。本文以一垂直平板与大空间液体的自然对流传热过程为例,将流体在垂直平板附近的热边界层内流动等效到圆管内流动,直接用泊稷叶公式计算出热边界层内流体流动为层流时的环流速度,取等效圆管的当量直径为特征尺寸,明确得到格拉斯霍夫数是雷诺数的一种变形,表征自然对流时惯性力与黏性力之比。     

格拉斯霍夫数物理意义的一种解释方法

格拉斯霍夫数是将影响对流传热膜系数因素进行量纲分析得到的无量纲数。国内外几乎所有《化工原理》教材均将其解释为表征自然对流的影响,但解释过程均较为模糊。本文以一垂直平板与大空间液体的自然对流传热过程为例,将流体在垂直平板附近的热边界层内流动等效到圆管内流动,直接用泊稷叶公式计算出热边界层内流体流动为层流时的环流速度,取等效圆管的当量直径为特征尺寸,明确得到格拉斯霍夫数是雷诺数的一种变形,表征自然对流时惯性力与黏性力之比。     

棒束通道内自然循环流动阻力特性

在自然循环条件下,进行了棒束通道内的流动阻力特性实验研究。结果表明,棒束通道内的流动摩擦阻力系数小于Cheng&Todreas关系式的预测值,且转捩现象不如圆管明显,转捩点Reynolds数为800左右。根据实验结果拟合了层流区的摩擦阻力系数计算关系式,该关系式仍然符合圆管中层流摩擦阻力系数的计算形式。另外,棒束通道的流动在自然循环条件下仍具有宽广的过渡区。通过实验还发现,加热段的热通量会影响棒束通道的摩擦阻力,摩擦阻力系数随热通量的增大而减小,并根据实验结果提出了不同热通量下摩擦阻力系数的黏度修正计算式。棒束定位格架的局部阻力没有明显的转捩现象,并根据局部阻力系数的变化规律拟合了Re < 1500和Re > 2000时的局部阻力系数计算关系式。     

棒束通道内自然循环流动阻力特性

在自然循环条件下,进行了棒束通道内的流动阻力特性实验研究。结果表明,棒束通道内的流动摩擦阻力系数小于ChengTodreas关系式的预测值,且转捩现象不如圆管明显,转捩点Reynolds数为800左右。根据实验结果拟合了层流区的摩擦阻力系数计算关系式,该关系式仍然符合圆管中层流摩擦阻力系数的计算形式。另外,棒束通道的流动在自然循环条件下仍具有宽广的过渡区。通过实验还发现,加热段的热通量会影响棒束通道的摩擦阻力,摩擦阻力系数随热通量的增大而减小,并根据实验结果提出了不同热通量下摩擦阻力系数的黏度修正计算式。棒束定位格架的局部阻力没有明显的转捩现象,并根据局部阻力系数的变化规律拟合了Re1500和Re2000时的局部阻力系数计算关系式。     

湍流模型在圆管螺旋流场模拟中的应用与对比

基于计算流体动力学分析软件Fluent,分别采用标准k-ε模型、RNG k-ε模型、Realizable k-ε模型及雷诺应力方程模型(RSM)4种湍流模型,对环空圆管内螺旋流单相流体流动进行模拟。重点分析了不同湍流模型计算的速度、速度矢量及涡量场分布,得出在模拟螺旋流道内强旋流方面,RSM具有更为明显的优势。利用量纲一分析方法将数值模拟结果与其他研究者的PIV实测结果对比,验证了RSM数值模拟结果的准确性。从量纲一压力随轴向位置变化曲线来看,环空圆管螺旋分离器虽然结构简单,但依然存在较为复杂的湍流流场分布,如何形成高效、稳定的分离流场是接下来研究的重点。     

一种圆管紊流混合长度理论的修正

对普朗特混合长度理论在圆管紊流流动中的应用进行了修正。基于尼古拉兹的圆管紊流速度分布实验结果:在除管中心及其附近位置外的紊流核心区内精确符合对数分布,结合力平衡方程,得出混合长度表达式;考虑圆管紊流实际情况,对混合长度表达式进行合理假设并引入阻尼函数进行改进,形成适用于圆管不同半径位置处的混合长度计算公式,修正后的混合长度表达式在整个圆管半径范围内光滑连续。基于修正后的混合长度表达式,推导出圆管剪切速率分布函数,并得出速度分布沿半径是一条存在二阶导数的光滑曲线;对剪切速率分布函数进行数值积分,计算某一流动状态下的管道速度分布,与实验结果精确吻合,且在圆管中心位置和层流子层区边界不再存在速度突变,更符合流体实际流动情况。     

水平管气液二相分层流移动壁面模型的改进

针对基于Standard k-ε湍流模型的移动壁面模型在预测水平管气液二相分层流气相封闭关系时的不足,利用Launder-Spalding和Launder-Sharma低雷诺数k-ε湍流模型对移动壁面模型进行改进,其中湍流黏度和湍流雷诺数由修正湍流耗散率替代原定义的耗散率。通过数值模拟结果拟合出新的气壁和界面摩擦因子Blasius形式公式,计算结果发现,湍流模型的选择对固定壁面和移动壁面剪切的预测都有明显影响,其中Launder-Spalding低雷诺数k-ε湍流模型得到的气相封闭关系预测精度最高,在气、液相雷诺数9 000≤ReG≤50 000和20 000≤ReL≤30 000,压降预测相对均根误差为10.6%,为理论和实验研究提供了有价值的参考。     

边界条件对圆管层流流动的影响分析

应用Fluent软件,分别就匀速度、抛物线形速度分布入口边界条件下模拟圆管层流流场,得到进出口截面的静压降,并与理论值进行比较。计算结果显示,匀速度入口条件下,进出口静压降的百分误差随雷诺数增加而急剧增大;而抛物线形速度入口条件下,进出口静压降与理论值基本吻合。     

多叶片组合式搅拌桨釜内流动特性和混合性能研究

开发可适用于较宽黏度范围的搅拌桨，强化釜内的流体流动和混合过程对于搅拌釜的节能增效具有重要的意义。实验与数值模拟相结合，在大涡模拟层面研究了多叶片组合式搅拌桨（MBC桨）从层流到湍流状态下，釜内的功率特性、流场分布、湍流特性和混合性能。结果表明：预测的功率曲线与实验结果一致；层流状态下釜内以切向流动为主，随着Reynolds数（Re）的增大，釜内轴向和径向流动逐渐增强，当Re达到486时，速度场分布与湍流状态下基本一致；在相同的能耗水平下，MBC桨对高黏度流体的混合性能优于商业Maxblend桨。桨叶的分散组合布置，强化了釜内的轴向和径向流动，使得MBC搅拌桨在从过渡流到湍流状态下均可实现较大的轴径向流动，湍动能分布较为均匀，混合过程显著加快。     

倾斜窄矩形通道内弹状流特性的实验研究

以空气和水为工质,应用高速摄影仪,对3.25 mm×43 mm的竖直和倾斜窄矩形通道的弹状流进行了可视化研究。按分液相雷诺数将流动分为层流区(Relo3000)和湍流区(Relo≥3000)。实验结果表明,在层流区,气弹上升速度随倾斜角度的增加而增大;在湍流区,倾斜角度对气弹上升速度的影响不明显。基于湍流区拟合得到的分布参数C0和班可夫系数CA分别为1.151和0.788,与实验数据具有较好的一致性。对于空泡份额Jones-Zuber模型和Ishii模型,在湍流区两者预测结果与实验基本一致,但在层流区,Jones-Zuber模型预测效果较好而Ishii模型偏差较大。     

固定床中错流流动的流场研究

实验分别测定了气体垂直于单根和两根圆管呈错流流动时固定床内的压力分布,经数学模拟获得床层中流体的压力分布、速度分布及流函数。对于固定床中内置单根圆管,沿主体流动方向的速度分量u在圆管左右两侧离管中心的2．0Dt范围内显著增大,其影响范围一直延伸到床层边缘;而在圆管正前、后方近壁处,由于管的阻挡,“显著下降,约为主体流速的40％,影响范围在1．5Dt左右;随着离开圆管距离的增大,其影响减弱。垂直于主体流动方向的速度分量v,在圆管前后被影响范围约相当于圆管直径,而在圆管左右两侧的影响范围约相当于2．0Dt。影响的深度随雷诺数的增大而增加。对于内置两根圆管的错流流动,沿主体流动方向的速度分量“在圆管前后呈现流速下降、管间流速增大的波形曲线,其波峰和波幅的大小与管间距、离管中心的距离及Rep有关。     

螺旋内槽管内的层流流动与传热的数值模拟

应用数值方法对一种螺旋内槽管管内的流体层流流动和传热进行了数值分析。采用数学变量置换把控制方程由原坐标系中的三维动量、能量及连续性方程转化为二维螺旋坐标系下的数值计算模型，并利用现有的二维数值模拟软件进行模拟计算。计算考察了恒壁温、轴向恒热流螺旋内层流充分发展流体的流动与传热随雷诺数的变化，并研究了螺距的影响。     

窄缝环形管内流动与传热实验研究 Ⅱ.摩擦阻力特性

主要研究不同尺寸窄缝环形管内R 1 1 3垂直向上单相和两相流动沸腾时的摩擦阻力特性。研究发现 ,无论是单相还是两相流动都不同于普通管内流动 ,流体在窄缝环形管内流动的转变雷诺数Re为 50 0～ 1 0 0 0 ,两相流动摩擦阻力比普通圆管内的大。研究获取了重要的实验数据 ,并提出了计算窄缝环形管内单相和两相流动摩擦阻力的关系式 ,试验值与计算值的最大相对误差不超过 7 2 %。     

轴流桨搅拌槽内完全湍流的研究

为研究轴流桨搅拌槽内完全湍流状况,采用相位多普勒粒子分析仪(PDPA)对MK和ZHX搅拌器进行流场测试,得到不同工况下的时均速度场分布.应用渐近不变性方法,选取适当的特征尺度,给出挡板处壁面射流的轴向速度相似剖面,确定用于评定槽内完全湍流界限的轴向速度分布曲线,建立了搅拌雷诺数与搅拌槽内完全湍流流动达到的高度之间的线性关系.结果表明,非全槽完全湍流状态下,槽上部会出现过渡流区;随雷诺数的增大,搅拌槽内完全湍流流动达到的高度增大;不同型式搅拌器的完全湍流流场所需的雷诺数不同,单层桨搅拌槽内达到全槽完全湍流需要很大的搅拌功率.     

螺旋扭曲管内部流动与传热特性试验研究

螺旋扭曲管是一种新型的强化传热元件，具有传热效率高、流动阻力小等优势，在石油化工、船舶、采矿、动力以及钢铁行业中具有广泛的应用前景。采用试验的方法，研究了螺旋扭曲管管内在湍流(Nu>20 000)范围内的流动与强化传热特性，并与同规格的光滑圆管进行了比较。试验结果表明，在相同的Re数下，螺旋扭曲管管内Nu数大于光滑圆管，增大了约30%～50%,表明螺旋扭曲管能有效地提高管内对流换热效果；在相同的Re数下，螺旋扭曲管阻力因子比光滑圆管小；在相同的流量下，螺旋扭曲管管内阻力损失与光滑圆阻力损失基本相当，表明采用螺旋扭曲管不会显著的增加摩擦阻力。