三螺旋折流板换热器多流路通道流动与传热数值模拟

为了增加大螺旋角下单位长度换热管上螺旋折流板数量提高换热,提出三螺旋折流板导流结构,对设置三螺旋折流板后壳程流体的流动与传热进行了数值模拟,重点考察了Reynolds数Re=1391～4174时的壳程压降及对流传热系数,与设置单螺旋折流板的对比结果表明：三螺旋折流板换热器壳程对流传热系数高27.9%,JF因子高13.67%,综合传热性能更好。在此基础上运用耗散理论分析了三螺旋折流板采取不同螺旋角时对换热效率的影响,发现由传热引起的耗散率随Reynolds数变化规律与壳程对流传热系数随Reynolds数的变化规律类似,相同流量条件下螺旋角为64.8°的换热器耗散率最小。另外,中心换热管与壳壁附近换热管的传热系数比较结果显示,中心管热交换量均低于壳壁附近换热管热交换量。     

三螺旋折流板换热器多流路通道流动与传热数值模拟

为了增加大螺旋角下单位长度换热管上螺旋折流板数量提高换热,提出三螺旋折流板导流结构,对设置三螺旋折流板后壳程流体的流动与传热进行了数值模拟,重点考察了Reynolds数Re=1391~4174时的壳程压降及对流传热系数,与设置单螺旋折流板的对比结果表明:三螺旋折流板换热器壳程对流传热系数高27.9%,JF因子高13.67%,综合传热性能更好。在此基础上运用(火积)耗散理论分析了三螺旋折流板采取不同螺旋角时对换热效率的影响,发现由传热引起的(火积)耗散率随Reynolds数变化规律与壳程对流传热系数随Reynolds数的变化规律类似,相同流量条件下螺旋角为64.8°的换热器(火积)耗散率最小。另外,中心换热管与壳壁附近换热管的传热系数比较结果显示,中心管热交换量均低于壳壁附近换热管热交换量。     

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%。     

低质量流率蒸汽真空水平管内凝结传热特性的实验研究

对换热长度为3.4 m、内径为38 mm的真空水平管内的蒸汽凝结流动换热特性进行了实验研究。分析了蒸汽质量流率小于9 kg/(m²·s),蒸汽饱和温度为50、60和70℃,换热温差为3~7℃时对凝结过程的影响。通过对分层流动冷凝换热机理分析,建立了热分区角计算模型。实验结果表明,热分区角随着质量流率的增加而增加,随着传热温差的增大而增大;饱和温度对管内凝结的局部传热系数和热分区角影响较小。通过以热分区角为分区界限,建立了局部传热系数经验关联式,在预测实验工况下,对于管顶部膜状冷凝区,预测精度在±25%以内;对于管底部冷凝液对流换热区,预测精度在+25%~-35%。     

内螺纹管内金属氧化物-水纳米流体传热特性的数值模拟

利用计算流体力动力学方法对恒定热流密度内螺纹铜管中的Fe2O3-水和Al2O3-水纳米流体的换热特性进行数值模拟,分析了纳米流体的质量分数、Re数和管道的不同水平位置对对流换热系数的影响,并将模拟结果与实验结果进行了对比,得到的模拟结果与实验结果趋于一致。模拟结果表明:在Re数为1000~2000的范围内,内螺纹铜管的径向与轴向方向上,Fe2O3-水纳米流体的传热效果好于同等质量分数的Al2O3-水纳米流体,轴向方向上,当Al2O3-水纳米流体的质量分数为0.4%时,对流换热系数最大提高38.8%。Fe2O3-水纳米流体的质量分数提高0.3%时,对流换热系数最大提高26.5%,而Re数变化对对流换热系数的影响要更强一些,最大提高78%。Fe2O3-水和Al2O3-水纳米流体的对流换热系数增长趋势的最佳质量分数在4%左右。     

扁材多孔管内单相流体换热

对水力直径分别为0.72 mm的矩形扁材多孔管和0.86 mm的圆形扁材多孔管中单相流体换热特性以及流动压降进行了实验研究.流体Re小于500时,随着热通量的增大,Nu减小;随着Re的增大,热通量对Nu的影响减小,Nu趋于一致.实验结果显示,这些变化是由于入口段效应和共轭效应相互制约的结果.圆形扁材多孔管的Nu高于矩形扁材多孔管的Nu.对于乙醇溶液,低热阻时,入口温度越高,压降随热阻的增大降低的斜率越小,随着热阻值的增大,压降降低速率减小趋于平缓.对水、酒精和丙酮进行了单相对流换热的研究.通过比较发现,3种流体的换热特性并不相同,而且差别很大.在同一热通量和入口温度条件下,相同Re,乙醇的Nu最大,丙酮次之,水的Nu最小.同时测试了不同乙醇浓度水溶液的换热特性,发现随着乙醇浓度的增大,溶液的Nu由基本保持不变到随着Re的增大而增大,并且乙醇浓度越大相邻浓度间的Nu差别越大,出现以上现象的理论原因还有待进一步的研究.     

加热功率对三角形微肋阵内流动与对流换热特性的影响

建立了三角形微肋阵对流换热性能测试系统, 以去离子水为工质对三角形微肋阵(d=247 μm, H=500 μm)的流动及对流换热特性进行了实验研究, 测试并得到了去离子水流经三角形微肋阵时压力降、阻力系数f及Nusselt数(Nu)等参数在不同Reynolds数(Re)及加热功率P下的变化规律, 分析了加热功率对于三角形微肋阵流动阻力及对流换热特性的影响机理。实验结果表明, Re为0~250范围内, 随加热功率增加三角形微肋阵阻力系数明显增大, 增加幅度最高可达200%以上;当Re>250时, 不同加热功率对阻力系数的影响显著减弱;而当Re>600时, 阻力系数几乎不再随加热功率增加而发生变化。当Re<250时, 随加热功率增加三角形微肋阵Nu逐渐增大, Nu增加幅度最高可达75%以上, 即加热功率增加可以强化对流换热;然而当Re>250时, 受三角形背风区旋涡演变的影响, Nu随加热功率增加而逐渐减小。     

加热热通量对微柱群通道内强迫对流换热的影响

以去离子水为工质,流经宽度3.5mm、长度40mm的叉排微柱群板,微柱群由直径500μm,高度分别为500、750、1000μm的微柱组成。实验研究微柱群内部加热热通量对换热特性的影响。采用电加热棒进行加热,测量微柱群板Reynolds数在100～1000之间时的进出口温度与流量,进而获得微柱群内部Nusselt数。研究结果表明,加热热通量对微柱群换热特性有重要影响。一方面,加热热通量的增大导致工质平均温度升高,工质Prandtl数降低,削弱了工质的换热能力;另一方面,加热热通量的增大降低了工质黏度,加剧了工质热运动,扰动增强,强化了工质的换热能力。当Re较低时,加热热通量的增大由于削弱了端壁面效应对换热的不利影响,同时增加了壁面与工质之间的温差,从而导致换热强化;随着Re的增大,端壁面效应减弱,因而加热热通量的增大对微柱群内部换热的影响减弱。     

纳米流体在芯片微通道中的流动与换热特性

对去离子水及体积分数分别为0.15%和0.26%的水基γ-Al₂O₃纳米流体在当量直径为194.5 μm的硅基梯形芯片微通道内的层流流动和换热特性进行了实验研究。考察了Reynolds数、Prandtl数以及体积分数对流动换热的影响。结果发现,使用纳米流体后,压降无明显增加,纳米流体的流动阻力特性与去离子水基本相同;对流换热Nusselt数较去离子水有明显提高,且随着体积分数的增加而增加;相同泵功下换热热阻显著下降。实验还发现纳米流体的强化传热效果在较高温度时更加明显。根据实验数据得到了梯形硅微通道内低浓度纳米流体的层流对流换热关联式。研究结果对于集成高效芯片散热系统设计具有重要意义。     

竖直通道内水平管束自然对流的数值模拟

采用非稳态的层流模型对竖直通道内水平管束的自然对流换热进行了数值模拟。分析了管间距以及瑞利数的变化对管束自然对流的流动和换热特性的影响。数值模拟结果表明:随着管间距和瑞利数的增大,管间的流动由稳定的对称状态逐渐发展为随时间的周期震荡状态和混沌的震荡状态,并给出了管后所有对称流动状态消失的临界管间距和瑞利数。圆管换热在瑞利数较小时随管间距的增大变化较小,当瑞利数在106≤Ra≤108范围时,圆管换热总体随管间距的增大而减小。     

叉排微柱群内顶部缝隙对传热效率的影响

以去离子水为工质,实验研究了直径为500 μm、高度为500 μm以叉排排列的微柱群内顶部缝隙对传热效率的影响规律。采用电加热棒进行加热,测量微柱群板Reynolds数在8～400之间在不同顶部缝隙时的进出口温度与流量,获得微柱群内流动阻力系数及Nusselt数,进而掌握微柱群内传热效率与Re关系。研究结果表明,在较低Re时,顶部缝隙对微柱群内流动阻力和Nu影响较小;随着Re增加,其对流动阻力与Nu的影响越来越显著。微柱群传热效率一开始随着Re增加而快速增加,随着Re进一步增加,其传热效率开始缓慢增加甚至出现下降。根据实验结果,尽管微柱群顶部缝隙存在降低了其内Nu,但提高了微柱群的传热效率。     

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。     

Viscous dissipation effects on turbulent heat transfer in pipes with uniform wall heat flux

An analysis is made of the turbulent Graetz problem with viscous energy dissipation effects in pipes with uniform wall beat flux. The effects of viscous dissipation on fully developed Nusselt numbers are studied for fluids with Prandtl numbers 1, 10, 10², 10³ for Reynolds numbers between 5 × 10³ and 5 × 10⁵ with both cooling and heating conditions at the pipe wall. The viscous dissipation effects on convective turbulent heat transfer in arctic hot oil pipelines are discussed.     

Amelioration du transfert convectif de chaleur par l'écoulement pulse dans un fluide visqueux

Pulsed perturbation effects on convective heat transfer in the laminar flow of a viscous fluid were studied in a co-axial cylindrical tube heat exchanger over the experimental temperature range 30 to 45°C. The fluid studied here, whose viscosity is twelve times larger than water at room temperature, is an aqueous solution of glycerol (60 wt %), and the Reynolds numbers of the steady flow are between 150 and 1000. The pulses significantly increase the thermal transfer at constant dissipated mechanical power. Indeed, enhancement of the heat transfer coefficient by more than 300% was obtained with strong pulsed perturbations. Therefore, pulses superimposed to a steady flow are a simple and efficient manner to improve thermal exchanges in viscous fluids that are usually pumped in the laminar regime. A correlation based on our experimental data on pulsatile flow is used to evaluate the Nusselt number with an average error of 10%.     

Heat transfer to liquids and suspensions in agitated narrow vessels

The knowledge of the heat transfer coefficient on the inner side of a heated vessel wall is of the utmost importance for the design of agitated vessels. In the case of large Reynolds numbers, the heat transfer is mainly determined by these numbers whereas, with small Reynolds numbers, the heat transfer is better described by considering the Grashof number. Investigations of heat transfer in agitated narrow vessels have shown that the height/diameter ratio exerts virtually no influence on the heat transfer when multi-impeller stirrers are used. The heat transfer to stirred suspensions can be described by relationships valid for liquids if the characteristic data of the liquid are replaced by those of the suspension and when the solids volume concentration is also taken into account. This relationship allows the heat transfer coefficient to be calculated for given solids volume concentrations of up to 60%.     

并流降膜式多管湿壁塔的质量传递特性

在内径为0.1 m,由38根内径为8 mm,外径为10 mm,高120 mm陶瓷管组成的多管湿壁塔中,采用SO2/NaOH和CO_2/H_2O系统,研究了20℃的气液传质速率。实验结果表明,液相雷诺数在Re_L在55~165之间,气相雷诺数Re_G在360~2 000之间,液相舍伍德数分别与Re_G的0.662次方和Re_L的0.851次方成正比;气相舍伍德数分别与Re_G的1.103Re_L的0.226次方成正比。     

Experimental and numerical analysis of heat transfer including viscous dissipation in a scraped surface heat exchanger

Viscous dissipation plays an important role in the dynamics of fluids with strongly temperature-dependent viscosity because of the coupling between the energy and momentum equations. The heat generated by viscous friction causes a local temperature increase in the high shearing zone with a consequent decrease of the viscosity which may dramatically change the temperature and velocity distribution. These processes are mainly controlled by the Brinkman number, the rotating velocity and the thermal boundary conditions. This work analyses forced convection heat transfer including the viscous dissipation in a scraped surface heat exchanger (SSHE). In this study the increase of the temperature due to the viscous dissipation is analysed both experimentally and numerically for Newtonian and non-Newtonian fluids. Heat transfer simulations including viscous dissipation were carried out by means of the CFD code of the software Fluent, version 6.3, with solving momentum and energy equations. Two thermal boundary conditions were considered: pseudo-adiabatic wall and constant temperature on the stator wall exchange. In the case of Newtonian fluid (pure HV45), for both considered thermal boundary conditions, an important increase of the temperature was obtained. In the case of non-Newtonian shear thinning fluid (2 wt% CMC solution), viscous dissipation is neglected. The developed numerical model agrees well with experimental results. The validated numerical model was then used to study the effect of index and consistency behaviour of shear thinning fluid using power-law rheological behaviour on the viscous dissipation, and correlation using dimensionless analysis expressed with different dimensionless process numbers is proposed for Newtonian and non-Newtonian shear thinning fluid.     

错排降膜阵列气液交叉流界面捕集PM2.5的传质类比模型

根据气溶胶颗粒拟流体性质提出了气液交叉流界面捕集PM2.5的传质类比模型.分析了颗粒Schmidt数及其指数m对气溶胶流体传热传质类比的影响机理.以常用的横掠错排管束对流传热Nu方程为基础,导出了横掠错排降膜阵列PM2.5传质Sherwood数方程,由此建立了以m为模型参数的PM2.5捕集效率预测模型.用横掠20列×90排ø3 mm降膜阵列PM2.5捕集效率实测数据回归获得m值为0.808.在Reynolds数50～650的范围内,模型预测传质Sh与实测值误差在±20%之内.