螺旋槽管强化传热机理及性能的数值研究

基于Fluent对9根具有不同结构参数的单头螺旋槽管进行了数值研究,得到了螺旋槽管内流体速度和温度分布,从微观上说明了螺旋槽管强化传热的机理。数值计算结果表明,在研究的雷诺数Re范围内(10 000~45 000),螺旋槽管的努塞尔数Nu是光管的1.34~2.01倍;阻力系数f是光管的2.01~6.40倍;Nu和f随槽深e的增加而增加,随节距p的增大而减小。螺旋槽管传热的综合性能明显优于光管,在换热面积和泵功率消耗相同的情况下,综合性能最好的2#管可使换热量提高14%~19%。     

内置转子圆管管内沸腾强化传热数值模拟研究

利用Fluent软件中欧拉多相流模型下的Rensselaer Polytechnic Institute （RPI）沸腾模型对内置单元组合转子换热管和光管在过冷沸腾工况下的传热过程进行数值模拟,得到换热管内汽相分布、速度场、努赛尔数以及进出口压降等参数,并通过综合评价因子（PEC）对内置转子换热管的综合传热性能进行评价。结果表明：加装了组合转子后,管内流体由单一的轴向运动变为复杂的螺旋运动;在入口流速0.1~0.5 m/s的模拟范围内,随着入口流速的减小,内置螺旋三叶片转子换热管的汽相体积分数比光管提高2.7%~25.8%,努塞尔数提高了约8.1%~10.79%;在不同入口流速下螺旋三叶片转子和低流阻转子的PEC值均大于1,内置低流阻转子换热管的汽相体积分数比光管提高1.13%~13%,努塞尔数提高约3.6%~8%。螺旋三叶片转子和低流阻转子均具有强化传热效果,且螺旋三叶片转子的强化传热效果要优于低流阻转子。     

内置转子太阳能集热管流动与传热特性的数值模拟研究

通过数值模拟方法模拟了非均匀加热工况下内置两叶片转子和低流阻转子的太阳能集热管的流动与强化传热特性,得到了集热管内的温度分布、湍动能分布、努塞尔数以及阻力系数等参数,并通过综合性能评价因子(PEC)对内置转子集热管的综合强化传热性能进行了衡量。结果表明：内置转子后,管内流体的温度分布更加均匀,并且升温速率明显提升,若控制出口温度一致,则内置两叶片转子集热管的长度相较于光管可减少46.15%;内置两叶片转子和低流阻转子集热管内的努赛尔数和阻力系数相较于光管均有明显提升,其中内置两叶片转子集热管提升幅度较大,努赛尔数和阻力系数相较于光管分别提升94%～190%和308%～449%;通过PEC对两种集热管的综合强化传热性能进行衡量,两种集热管的PEC值均大于1,内置两叶片转子集热管具有最大值1.82。     

钛合金螺旋扁管换热器流阻与传热性能实验研究

为研究钛合金螺旋扭曲扁管换热器壳侧选用高黏度导热油的传热规律,对钛合金螺旋扁管换热器的壳侧在层流(Re2 000)与过渡流(2 000Re9 000)状态的传热性能进行实验研究,与分别采用钛合金圆管与螺旋槽管作为换热元件的折流板换热器进行比较,根据实验数据并采用多元线性拟合对扁管壳侧的努塞尔数Nu与阻力系数f进行拟合,其最大拟合误差都是±10%。实验结果表明,螺旋扁管换热器的壳侧在层流与过渡流均有明显的强化传热效果,其强化传热指标h/Δp是螺旋槽管换热器的1.7~2.5倍,光管换热器的2.3~4倍。在层流与过渡流状态下,扁管尺寸、Re、Pr对传热影响较大,螺旋扁管换热器特别适合层流换热。     

内置转子换热管强化传热性能研究

概述了转子组合式强化传热装置的强化传热和自清洁原理，实验研究了阶梯对螺旋叶片转子强化传热性能的影响。实验结果表明，在相同的雷诺数条件下，内置阶梯型螺旋叶片转子换热管的努塞尔数及阻力系数较无阶梯的螺旋叶片转子分别高出了7.8%~13.1%和24.1%~33.8%，同时性能评价因子（PEC）明显高于无阶梯的螺旋叶片转子，从而验证了阶梯可明显提高螺旋叶片转子强化传热的综合性能。     

顺排管束流动和传热数值模拟

采用数值模拟的方法考察了列管式换热器中顺排管束的流动和传热问题,计算了不同纵向节径比(S_L/D)和横向节径比(S_T/D)对顺排管束传递特征的影响,并综合评价了其换热效果。结果表明,管排结构中大部分圆管均受尾流影响,在前列圆管尾流的作用下,尾涡结构被改变。相比于单圆管,管排结构强化传热的作用较明显,且对管排横向间距变化较为敏感。结果显示,增大S_L/D和S_T/D均能提高努塞尔数(Nu),但同时阻力系数也随之增大。当S_L/D=2.7,S_T/D=2.5时,管束的综合传热能力最优。此外观察到管排结构可以减小涡脱落频率,对涡脱落起一定的抑制作用,并通过线性拟合得到了管排斯特劳哈尔(St)数与雷诺(Re)数的关系。     

矩形涡流发生器结构参数对圆形换热管传热特性的影响

为了提高圆形换热管的换热效率,采用SST k-ω湍流模型,对内置矩形涡流发生器的圆形换热管进行了数值模拟研究,分析了涡流发生器长高比L/H和攻角β对流动和传热特性的影响。结果表明:V型排布的4个矩形涡流发生器产生了两对反向旋转的纵向涡流,增强了冷热流体的混合,改善了圆管内的场协同,提高了换热性能。随着涡流发生器长高比L/H的增加,换热管努塞尔数( Nu )、摩擦因子( f )和综合性能评价指标(PEC)均增大;但是综合性能评价指标(PEC)的增加幅度逐渐减小,当L/H = 2时,换热管具有较好的综合性能。随涡流发生器攻角β的增大,综合性能PEC先增大后减小,当攻角β = 30°时,多数工况下PEC具有最大值,换热管具有最佳综合性能。     

螺旋扁管管内传热强化及流阻性能

以水为介质,研究了不同截面短长轴比B/A (B/A＝0.3-0.5)和导程与直径比S/de (S/de=17-50)的螺旋扁管管内传热和流阻性能.实验结果表明:管内Nu和f值均随均随B/A值和S/de值的增大而减小,但随B/A值的增加而减小得更快,B/A值对螺旋扁管管内传热与流阻性能影响更大;在相同Re和Pr下,螺旋扁管管内Nu数为光滑管的1.3～2.5倍;阻力系数f是光滑管的1.2～1.5倍.通过多元线性回归法对实验数据进行归纳与整理,提出螺旋扁管管内努塞尔数和阻力系数的准数方程式,其最大误差分别是12%和6%,可为螺旋扁管换热器的工程设计提供依据.     

正五边形管排方式管束传热和流动阻力特性研究

文章提出一种正五边形管排方式,对其传热和流动阻力特性进行了试验研究,并运用综合性能评价准则(performance evaluation criteria,PEC)将其与传统的正三角形管排方式进行了对比分析。结果表明:在雷诺数Re∈[9 000,22 000]范围内,正五边形管束比正三角形管束的努塞尔数Nu平均提高约9.3%,欧拉数Eu平均增加约13.4%,综合性能评价因子η在1.00~1.08之间,在高Re时正五边形管排方式更具应用价值。     

空气在三角形波纹通道内湍流流动与换热的数值研究

采用数值模拟的方法,对流动与换热进入周期性充分发展段等壁温边界条件下三角形波纹通道内流体的流动与换热进行二维数值模拟分析,计算考察了雷诺数Re、间距比ε及波纹纵横比γ对流动与换热性能的影响。结果表明:Re数及波纹纵横比γ较小时,不会出现回流;在计算的Re范围内,随着Re的增加,平均努塞尔数Nu呈递增趋势,摩擦阻力系数f呈下降趋势;并拟合出通道不同几何因子下阻力系数f及表面换热特性数Nu随Re变化的关联式。通过对性能参数j/f的分析得出,采用小间距比ε或者小波纹纵横比γ均可以提高换热性能。     

针翅式散热器模块流动传热特性数值优化

为提升中高温电子器件的散热性能,以针翅式散热器模块为研究对象,研究了热管长度、散热器宽度、针翅直径、针翅间距和针翅高度5个结构参数对翅片散热性能的影响,对正交实验设计的16个组合方案下翅片的流动换热性能进行模拟。以努塞尔数Nu、阻力系数f、传热性能综合评价指标(performance evaluation criteria, PEC)和全因子评价Y作为评价指标,在每个评价指标下利用极差分析主要影响因素和挑选出优化组合。结果表明：影响Nu、f、PEC和Y的最主要因素是针翅间距;最佳优化组合为：针翅间距为2.5 mm,散热器宽度为80 mm,针翅直径为1.5 mm,针翅高度为20 mm,热管长度为25 mm,模块温降为16.28℃,热阻为0.265℃/W。     

射流入射角度对螺旋管传热性能的影响

为了揭示射流入射角度对螺旋管内流体传热性能的影响规律,通过数值模拟方法对无量纲曲率δ=0.070 1、无量纲螺距τ=0.143的螺旋管在不同射流入射角度(α=30°～150°)下的强化传热性能进行研究。结果表明,射流的加入显著强化了螺旋管内流体的换热,在射流速比ε=4和雷诺数Re=19 000～26 000范围内,随着射流入射角度的增大,螺旋管壁面的平均努赛尔数Nu_m、周向局部努赛尔数Nu_c(螺旋角θ=4.5π截面)及流动阻力系数f均随之增大;当α=150°时,与单一螺旋管(未加入射流)相比,加入射流后Nu_m提升了13.7%以上,Nu_c提升了70%。在所研究的Re和ε范围内,强化传热综合性能评价因子(PEC)随着α增大而减小,但PEC均大于1(1.08～1.65);当α=30°时,在研究范围内PEC达到最大,其平均值为1.62,是单一螺旋管的1.62倍,表明此时的螺旋管具有良好的综合强化换热效果。     

蒸汽冷却带肋矩形通道流动和换热特性数值研究

为了阐明蒸汽冷却带肋矩形通道的换热增强机理,基于三维RANS方程和标准k-ω湍流模型,数值模拟了带肋矩形通道的流场和换热特性,研究了雷诺数、入口宽高比和肋间距对流动和换热特性的影响,进一步分析了努塞尔数与雷诺数、入口宽高比、肋间距之间的关系,由此得出带肋矩形通道的传热关联式。结果表明:肋片的存在破坏了较厚的换热边界层,增强了换热性能。雷诺数增大,平均努塞尔数、综合换热因子均增大,阻力系数小幅上升;宽高比增大,平均努塞尔数、综合换热因子均增大,阻力系数大幅上升;肋间距增大,平均努塞尔数增加,阻力系数先增后减,综合换热因子先减后增。所得传热关联式可为先进燃机蒸汽冷却叶片的设计提供参考。     

汽车排烟余热回收强化换热管的数值模拟与分析

对汽车排烟余热回收装置的双斜向流线型内肋换热管进行了数值模拟研究,主要分析了内肋的结构特性参数对换热性能的影响。结果表明,流线型内肋在肋长、肋倾角、肋高度和肋间距上存在最优值,分别为38mm,45°,2.5mm和60mm。当Re=1.2×104～5×104时,与同条件下普通圆管相比,努塞尔数Nu可增加54.5%～90.7%,摩擦阻力系数f增加157.6%～204.2%;同时,双斜向流线型内肋管内场协同角从90°减小到80°,换热效果显著提升。运用场协同理论分析,发现管内场协同角在每一个内肋附近都出现骤减现象,并体现其为换热效果增强的主要原因。     

凹坑结构对麻面管流动与传热特性的影响分析

采用三维数值模拟方法,分析不同进口油速(0. 6～1. 8 m/s)、凹坑高径比(0. 45、0. 474、0. 5、0. 529、0. 563、0. 6)对麻面管流动与传热特性的影响。结果表明:高径比越小,凹坑内旋涡区越扁平;不同高径比凹坑内旋涡位置不同,同时对麻面管性能的影响也不同;相同进口油速下,麻面管的努塞尔数均高于光管,阻力系数均低于光管;相同进口油速下,随高径比增加,努塞尔数先增加后减小,阻力系数先减小后增加;麻面管在凹坑高径比为0. 5时综合传热效果最好,此时为最优凹坑结构。     

微柱体对微通道热沉综合性能影响的数值分析

为强化微通道热沉的传热性能,设计一种内置微柱体的微通道热沉,并采用数值方法研究微柱体对微通道热沉内流体流动、传热及综合性能的影响。分析了进口雷诺数、微柱体的错位量对内置微柱体微通道热沉(微柱通道)的压降、热阻和努塞尔数的影响,并与光滑微通道热沉(光滑通道)进行对比。采用热阻与泵功的关系、熵产原则及性能评价准则对微通道热沉的综合性能进行评价。结果表明,微柱通道压降和努塞尔数随雷诺数增大而增大,热阻反而减小;在研究的雷诺数范围内,微柱通道压降比光滑通道的平均高84.3%,热阻平均低27.8%,而努塞尔数平均高54.5%;有错位量的微柱通道热阻比无错位量的平均低8.9%,而努塞尔数平均高12.6%;微柱通道综合性能优于光滑通道,且有错位量的微柱通道更优。     

铜带材气悬浮退火过程中的气体流动与气固传热特征

对气垫炉加热段内0.6 mm厚紫铜板材处理过程中的气体流动和气固传热进行研究,改变板材移动速度和悬浮高度,对气流速度、温度、湍动能的分布及努塞尔数(Nu)进行对比与综合分析,系统地评价板材的处理效果与气垫炉的运行稳定性。研究结果表明：随着板材移动速度增大,板材表面的温度和Nu分布趋于均匀,驻点位置向板材运动方向偏移;Nu的平均值增大,传热效率提高。驻点上游流动分离区内的速度和湍动能均比下游侧的低。板材悬浮高度增大,驻点附近的湍动能下降,而流动分离区的旋涡被拉伸,热传递在流向和展向均被增强;同时,温度和Nu分布更均匀,Nu的平均值增大。     

内置间隔排布转子串换热管的传热和阻力特性实验研究

以开槽螺旋叶片转子为研究对象,对装有空隙比S=0.0、3.0、6.0和10.0间隔排布转子串换热管的传热和阻力特性进行了实验研究。结果表明,装有空隙比S=0.0的整串转子串换热管的努塞尔数比同雷诺数下光管经验公式值提高了0.8~1.2倍,但阻力系数也提高了55%左右;转子串间留出一定间隙,虽会减弱管内流体扰动使换热管传热性能有所降低,但也显著降低了管内压降。采用综合评价指标（PEC）对4种空隙比转子串的传热和阻力特性进行综合比较,在实验雷诺数范围内,当雷诺数较低时,适当增加转子串的空隙比能够提高其综合传热性能;当雷诺数较高时,在转子串间留出间隙会使其综合传热性能低于整串转子。     

多孔介质方腔内自然对流影响因素数值模拟

为研究封闭方腔内饱和多孔介质自然对流传热,采用控制体积法,运用多孔介质局部热平衡假设,整体求解方腔内的温度场和流场,根据计算结果着重分析瑞利数Ra和达西数Da对多孔介质方腔内自然对流换热特性的影响.计算结果表明:当Ra取定值,壁面平均努塞尔数Nu随Da数的增加而增大;当Da数取定值,壁面平均努塞尔数Nu随Ra的增加而增大;随着达西数Da数的增加,临界瑞利数Ra逐渐减小.     

不同接触角微肋阵内的对流换热及能效特性

在椭圆形微肋阵表面固化含有微纳米粒子的疏水性涂层获得具有不同接触角的疏水性微肋阵,测试不同雷诺数Re下实验段内的压降?流动阻力系数f及努塞尔数Nu,并分析了接触角变化对微肋阵热沉内流阻和换热的综合影响及其能效特性?研究结果表明,疏水性涂层具有显著的减阻效果,压降和流动阻力系数随接触角增大而减小;但疏水性微肋阵内的Nu也降低,且3种疏水性微肋阵内Nu之间的偏差随功率的增加而增大;尽管表面疏水性降低了微肋阵内Nu,接触角为151.5°超疏水微肋阵仍具有较好的能效特性,与无疏水性涂层的微肋阵相比,相同对流换热量时其所需泵功可减少200%以上?