金属泡沫平板结构内对流换热的数值研究

基于Brinkman-Darcy模型和两方程模型,本文对流体在金属泡沫平板通道内的强制对流换热进行了自编程数值模拟,采用体积平均法对流体在金属泡沫内的流动和换热进行宏观处理。模拟结果表明：流体主流速度随孔密度增大而减小,随孔隙率增大而增大;流体相和固体相之间的局部对流换热系数随孔隙率和孔密度增加而增加,金属泡沫对流换热性能随孔隙率增大而减小,随孔密度增大而增大。金属泡沫强化换热的效果十分明显,可以应用于需要强化换热的紧凑式换热器和散热器。     

刚性壁面法向振动对流动换热的影响

采用理论推导与数值模拟结合的方法,通过求解流动方程及能量方程得到壁面法向振动下流体流动特性变化规律,并分析振动对换热的影响。结果表明:层流状态下,低强度振动使壁面附近流体质点产生法向速度,但影响范围很小,对换热影响有限;随着振动强度的增大,流场逐渐转变为湍流,导致换热系数提升。通过数值模拟计算壁面平均努塞尔数随振动强度及来流速度的变化规律。结果表明:对于低速流体,当振动达到某一临界值后能增强换热效果,努塞尔数随振动强度增大而增加,最佳换热相位角在200°左右,低雷诺数下振动强化换热效果较为明显,对流换热系数最大可提升300%。     

紧凑满液型叉排管束蒸发换热器内水的沸腾强化换热特性

采用紧凑满液型蒸发换热器,利用水平传热管叉排管束狭窄空间内早期沸腾强化换热机理将中小热负 荷条件下的自然对流换热转化为旺盛核沸腾换热,换热性能大大优于传统的降膜式蒸发换热器。对水平传热管 管束在受限空间内沸腾强化换热进行实验研究,确认了紧凑满液式水平管蒸发换热器具有良好的换热性能,传 热管在管束中的位置对换热特性已经没有明显影响,随着压力增加,受限空间内沸腾强化换热强化效果显著增 加。     

大空间管排自然对流的数值模拟

对具有2，4，6根管的管排在大空间内的自然对流进行了数值模拟。参数范围为10^2〈Ra〈10^4，S／D=1．25，2，3，5，9，11，Pr=0．7，流态为层流。数值计算结果表明：Ra和S／D对换热都有重要的影响，在小间距时对流作用处于劣势，管排中的管处于换热削弱状态，随着间距的增大对流作用逐渐占优势，管排中的各管从下至上逐渐受到加强，管排中出现了涡，这种涡起着增强局部换热系数的作用。     

倾斜封闭方腔内自然对流换热的场协同分析

采用场协同原理对倾斜封闭方腔内自然对流换热现象进行了研究。通过数值模拟获得了不同瑞利数(Ra=1~10~6)时倾斜封闭方腔内自然对流换热的协同关系,以及在一定Ra数下不同倾斜角φ对封闭方腔内自然对流换热的影响。结果表明:随着瑞利数Ra的增大,协同数Fc变小,其协同性越好。随着倾斜角φ的变化,当Ra≤10~3时,lg Fc的变化曲线近似呈现开口向上的抛物线型;当10~4≤Ra≤10~5时,lg Fc的变化曲线是单调的;当瑞利数Ra≥10~6时,lg Fc的变化曲线有2个极值和1个拐点。     

磁性纳米流体Fe3O4-H2O对流换热特性研究

建立磁性纳米流体Fe3O4-H2O对流换热特性实验系统,研究有无外磁场、磁场强度、磁场方向,纳米粒子质量分数、轴向比等因素对磁性纳米流体对流换热系数的影响。实验结果表明:对流换热系数随磁场强度的增加而增大;当磁场方向与流体运动方向一致时,外磁场强化了对流换热过程;外磁场对低流速流体的对流换热过程影响比对高流速更为显著;外磁场作用于流体入口段时对流换热系数得到明显提高;质量分数范围α=0.6%~0.8%的Fe3O4-H2O纳米流体可有效强化其对流换热性能。     

非均匀热流下水平管内混合对流大涡模拟研究

针对以槽式太阳能集热器为背景的高密度、高度非均匀热流下水平管内的混合对流换热问题,采用大涡模拟方法,研究了热流密度非均匀性对水平管内混合对流瞬态涡结构、脉动强度、湍流热通量及局部平均壁温的影响;揭示了非均匀热流下自然对流对管内湍流特性的影响规律;提出了适用于不同热边界条件下管内混合对流换热的强化措施。结果表明:均匀热流时,自然对流会抑制管顶部的湍流脉动,使流动层流化,造成传热能力局部恶化;非均匀热流时,随着自然对流的增强,近壁面速度脉动强度先减小后增大,二次流逐渐增强,换热能力逐渐提高,故管内换热能力受湍流脉动与二次流协同影响;在自然对流影响下,均匀加热时管顶部可采用针对层流的强化换热措施,非均匀加热时需着重提高管底部高热流区域的湍流脉动与涡强度。     

等节距缩放管内传热数值模拟及场协同分析

采用FLUENT软件对具有不同结构参数的等节距缩放管进行了对流传热数值模拟,研究了缩放角θ、喉径比γ及节距L对传热性能的影响，并用场协同理论进行传热强化分析。结果表明：雷诺数Re在4 138~5 977范围内，缩放角θ越大，努塞尔数Nu越大，压降Δp急剧增大；喉径比γ越小，努塞尔数Nu越大，压降Δp急剧增大；节距L在30~50 mm范围内，随雷诺数Re增大，节距L增加，努塞尔数Nu增大；在50~60 mm范围内，随雷诺数Re增大，节距L增加，努塞尔数Nu基本保持不变；等节距缩放管的缩放节能改善管内流体速度场和热流场的协同程度，提升管内对流传热水平。     

Pr对具有表面蒸发环形池内热毛细对流的影响

为了了解普朗特数对具有表面蒸发的环形液池内热毛细对流的影响,对流体在其纯蒸汽环境中蒸发时的热毛细对流进行了数值模拟,流体Pr变化范围为0.01至50.00,环形液池半径比和深宽比分别为0.5和1.0。结果表明,随着Pr的增加,表面温度逐渐升高,表面蒸发质量通量增大,热毛细对流流胞逐渐向外壁和自由表面移动,这种影响随着蒸发Biot数增加而逐渐减小;当蒸发Bi较小时,总蒸发质量随Pr增加而增大,当Bi较大时,Pr对总蒸发质量影响很小。     

多孔泡沫内纳米流体非平衡传热及体积分数分布

研究了纳米流体在金属泡沫内的对流换热,建立了局部非热平衡数学模型,得到了金属泡沫内纳米流体速度、温度和纳米颗粒体积分数分布,分析了纳米流体和金属泡沫的强化换热效果。当使用纳米流体或在通道内填充金属泡沫时,截面速度和温度变得更均匀。随着纳米颗粒体积分数的增大,努塞尔数先增大然后又逐渐减小,即存在一个合适的体积分数能使换热效果达到最好;当金属泡沫孔隙率增加时努塞尔数也会减小,有利于换热的进行。纳米流体和金属泡沫对换热具有明显强化作用,但压降随纳米颗粒体积分数增大而急剧增大。此外,还考虑了布朗扩散和热泳扩散等因素的影响。     

A numerical investigation into the charge behaviour of a spherical phase change material particle for high temperature thermal energy storage in packed beds

基于高温相变材料,对填充床储热系统中储热单元球体的储热性能进行了模拟研究.研究了不同传热流体温度和球体直径对球体储热性能的影响规律,对导热为主的相变储热过程与导热和自然对流共同作用的相变储热过程进行了比较分析,同时还探讨了高温辐射换热的影响.结果表明,相变时间随球体直径的增大而增大,随传热流体温度的增大而减小.当考虑相变区域自然对流时,总的相变时间显著减少,和单纯导热相比,完全相变时间缩短了近16%.在导热和自然对流的基础上加上辐射传热后可以看出,辐射换热强化了球体内的传热过程,加快了相变材料的熔化速度,强化了自然对流的作用.     

空气横掠矩形翅片椭圆管束换热规律的数值研究

采用Fluent软件对矩形翅片椭圆管束空气侧的对流换热情况进行了三维数值模拟，获得了不同流速下翅片表面温度分布，分析了迎面风速与换热系数之间的关系，随着速度的增大，空气侧的换热系数增加，并拟合了换热计算公式。同时分析了不同翅片间距对换热的影响因素，随着翅片间距的增大，空气侧换热系数增加，而且随着Rg数的增加，换热的强化更加明显。     

辐射引起密闭容器内半透过性流体的自然对流对传热的影响

用数值方法研究了密闭容器内半透过性流体在辐射光的照射下产生的自然对流对传热的影响。基于二维假设下的流体流动和热量传递的动态数学模型，并用有限差分方向交替法进行数值求解，得到了稳态下的对流换热系数。结果表明，流体的自然对流受倾斜角度和光学厚度的影响，而传热又受自然对流的影响，对流换热系数的大小与密闭容器内自然对流的强度密切相关。局部换热系数沿透过板内侧的分布与密闭容器的放置角度有关，垂直放置时为从下至上逐渐增大，水平放置时，呈波浪形分布，倾斜角度从π／2减少至0时，由从下至上逐渐增大的分布变为波浪形的分布，垂直和水平放置时的平均换热系数都随光学厚度的增大而增大。     

低压条件下紧凑式顺排管束满液型蒸发换热器的强化换热特性研究

提出了一种新型紧凑式顺排光滑管束组成的满液式蒸发换热器。在低压条件下对水平光滑顺排管束的小空间内沸腾强化换热特性进行了实验研究,确认了管距、管位置和运行压力对强化换热性能的影响。实验表明存在一个能得到最大强化换热效果的最佳管距,这一最佳管距接近沸腾气泡的脱离直径。压力对强化换热效果也有重要影响:随着压力降低,强化换热效果也逐步减弱。实验结果对高效节能型蒸发换热器设计提供了设计基础。     

螺旋翅片管束换热过程的熵产分析

对不同翅片间距Sf、管束横向节距St和管束纵向节距Sl的9组螺旋翅片管束的换热和流动过程进行了试验研究.分析了换热过程的熵产,研究了雷诺数(RP)、翅片间距、管束横向节距和管束纵向节距对管束换热熵产数NsH、流动熵产数NsF和总熵产数Ns的影响.结果表明:对不同布置方式的管束,随着Re的增加,NsH迅速减小,NsF逐渐增加,Ns先减小后增加;翅片间距对NsH影响较小,在高Re下,翅片间距增大时,NsF和Ns均明显降低;横向节距对NsH几乎没影响,但随着横向节距的增加,NsF和Ns均明显降低;管束纵向节距对NsH、NsF和Ns的影响都很小.     

竖直三维内肋管管内变压器油自然对流换热特性

利用田口法对具有不同肋结构参数的竖直三维内肋管管内变压器油自然对流换热特性进行了实验研究,获得了肋高、肋宽、轴向间距和周向间距等肋结构参数对管内自然对流换热性能的影响规律,提出了肋结构参数最佳组合。结果表明,变压器顶层油温从40℃变化至100℃,肋高和肋宽对换热性能的影响占比基本不变,周向间距的影响占比逐渐减小,轴向间距的影响占比逐渐增大;相比光管,三维内肋管的自然对流强化换热性能随顶层油温的增大而增加,变压器油自然对流Nu最大约为光管的1.75倍。拟合了竖直三维内肋管管内变压器油自然对流换热计算关联式,其与实验数据的最大偏差为±16%。     

强化传热管束狭窄空间内R_11的沸腾换热特性

对紧凑型滚压面传热管管束狭窄空间内R－11的沸腾强化换热进行了实验研究，确认了由紧凑型滚压强化管束组成的满液式蒸发换热器具有良好的换热性能。其原理是利用强化传热管管束狭窄空间提前从自然对流换热转换为旺盛核沸腾换热，实验结果确认了管束形成的狭窄空间和强化传热面两种强化技术对沸腾换热的强化效果不能简单叠加。     

非对称波节管在汽汽换热中的传热及熵产分析

为了揭示非对称波节管在汽汽换热中的强化作用,本文通过数值模拟的方法研究了对称型和非对称波节管在汽汽换热中的流动换热特性及熵产分布规律。结果表明,采用非对称型结构易于使流体与壁面贴合,并增大壁面处的温度梯度,强化波节结构与流体之间的换热;高温蒸汽侧波节结构的两端和低温蒸汽侧波节结构凸出位置的局部熵产值最大,且对流换热的效应较强。随进口流速增大,对称型和非对称型结构的壁面平均努塞尔数的变化趋势基本一致,采用对称型波节结构的压降要大于非对称型波节结构,因而采用非对称型波节结构的经济性要优于对称型波节结构。     

内燃机活塞内冷油腔稳态综合传热预测模型

利用量纲为1的基础关联式,考虑活塞内冷油腔结构、两相流的物理特性和局部流动特性对传热系数的影响,分析不同缸径活塞在不同发动机转速时内冷油腔内流体的流动特性,建立对流换热系数的预测模型.结果表明:雷诺数和普朗特数乘积的自然对数值随发动机转速的增加而增大;在发动机转速相同时,随着内燃机活塞缸径的增加,内冷油腔内流体的雷诺数和普朗特数乘积的自然对数值随之增大.通过对比数值模拟和硬度塞试验测试结果可知,对流换热系数预测模型可有效预测内冷油腔的传热系数,能为内冷油腔的设计提供一定的理论依据.     

电场作用下肋表面电对流现象的可视化研究

电场可强化池态沸腾换热已经得到研究者的普遍认可.以往研究者主要针对光滑表面、加热管或加热线表面的电场强化换热进行研究.在光滑表面增加肋结构可以改变加热面附近的电场分布,从而影响加热面的换热效果.以R113作为实验工质,搭建了可视化的池沸腾实验台,采用高速摄像机记录了肋高为2 mm的加热面在电场作用下的电对流现象.实验发现,电对流随着施加电压的升高而增强,电对流加速了加热面附近流体的混合,破坏了热边界层,使得加热面温度降低从而强化了换热.