超临界压力CO_2竖直管内传热恶化抑制实验

为抑制浮升力导致的超临界压力流体传热恶化,该文采用光管内插螺旋结构,增强管内湍流发展,提高流体管内换热性能。对超临界压力CO_2在竖直光管、内插螺旋管内对流换热进行了实验研究,比较了热流密度、进口Re、流动方向等因素对换热的影响,讨论了内插螺旋结构对传热恶化现象的抑制作用。研究结果表明:由于浮升力传热恶化作用,流体在光管内向上流动壁温分布呈非线性变化趋势,壁温峰值区域随热流密度升高逐渐向入口区域移动;光管内插入螺旋结构可以有效抑制由浮升力产生的传热恶化作用,显著提高超临界压力CO_2管内对流换热强度,内插螺旋结构管相对于光管可以提高对流换热系数约200%以上;超临界压力CO_2在内插螺旋结构管内流动与换热时,在热流密度较高情况下,浮升力依然会对换热起到一定的恶化作用,流体向下流动时沿程对流换热系数略高于向上流动。     

输油管道对流换热系数模型

热油管道能耗巨大,其散热问题的研究具有极高的工程应用价值。尽管在很多情况下流体与管壁间的对流换热系数很大,可以在总传热系数计算中忽略对流换热系数的影响,但并不总是如此。主流与近壁边界间的过渡区、即热边界层内的换热是不可忽略的。采用动量热量比拟的方法建立输油管道对流换热系数模型,并在此基础上对总传热系数进行了分析计算。计算结果表明,边界层内的对流换热系数对管道的总传热系数具有较大影响。     

驻点磁流体边界层流动、传热和传质的模拟

水平方向放置一无限长高温可渗透多孔介质平板,竖直方向施加稳恒磁场,温度较低的导电流体垂直冲击该平板后,在平板驻点附近会形成很薄的边界层,边界层内将发生流动、传热和传质等物理过程,在此过程中要考虑辐射换热的影响.辐射热源项采用Rosseland假设进行简化处理,采用配置点谱方法进行空间离散求解.讨论了抽吸系数、磁场参数、辐射参数、对流换热参数等对边界层内流动、传热和传质及其壁面摩擦系数、努塞尔数和舍伍德数等的影响.结果表明,抽吸系数和磁场参数的增大使得速度边界层变薄,辐射参数增大使得温度边界层变厚.     

考虑局部非热平衡的流体层流横掠多孔介质中等温平板的边界层分析

在考虑流体和多孔介质之间瞬时局部非热平衡的前提下,对流体强迫层流横掠多孔介质中等温平板的二维流动应用Brinkman-Forchheime-extended Darcy模型建立守恒方程组。对方程组进行数量级分析简化,应用积分法进行近似计算,得出了速度边界层厚度、热边界层厚度、壁面黏性摩擦系数和对流传热系数的计算公式。结果表明:在多孔介质中沿平板的速度边界层厚度与光板时明显不同,在平板前端迅速增长,随后逐渐变得平坦,趋于一个恒定值;而热边界层厚度则与光板时类似。     

超临界压力下低温甲烷传热特性数值研究

对16 mm内径的光滑圆管内超临界压力下低温甲烷的流动与传热进行数值研究,系统地模拟热流密度为100～400 kW/m~2工况下不同流动方向的传热,分析传热强化和恶化过程中流体温度、速度和物性分布。结果表明:热流密度越大,传热强化发生的越早、峰值越高、恶化越迅速,而在较低热流密度下则不发生传热强化和恶化行为;水平流动中管顶、底的换热系数在强化段存在差异,而竖直向上流动中换热系数的分布具有对称性;边界层内的大质量热容和密度差产生的浮升力是传热强化的主要原因,边界层内的低质量热容和轴向上的热加速效应是传热恶化的主要原因。     

在磁场作用下Fe_3O_4/Water纳米流体湍流对流换热实验研究

实验研究了不同体积分数Fe_3O_4/Water纳米流体在磁场作用下的水平小圆管内的湍流流动对流换热特性,测量了体积分数为3%的Fe_3O_4/Water纳米流体的沿程压力降并计算了其能量比率,探讨了在磁场作用下纳米流体强化对流换热的机制.实验结果表明:Fe_3O_4/Water纳米流体的对流换热系数随着体积分数的增加而升高,其平均值最大提高了4.3%;在与流动方向垂直的匀强磁场作用下,当磁场强度为23.809和39.682 kA/m时,纳米流体的换热系数几乎没有提高,当磁场强度为63.492 A/m时,换热系数有所提高,其平均值最大提高了3%;Fe_3O_4/Water纳米流体的沿程压力降相对于基液去离子水增加了50%,外加磁场使其进一步增大,并随着磁场强度的增加而增大,当磁场强度为63.492 A/m时增加了11.3%;Fe_3O_4/Water纳米流体相对于基液去离子水的能量比率计算值小于1,说明添加Fe_3O_4纳米粒子没有达到节能的效果.     

超临界混合流体自然对流的三维数值模拟

针对三维矩形腔体中超临界氮氩混合流体的Rayleigh-Bénard对流进行了数值模拟,研究了活塞效应、Soret效应和Dufour效应在自然对流发生发展过程中所产生的影响.结果显示:3种效应作用下自然对流可分为稳定边界层、对流产生和发展、稳定对流3个阶段.活塞效应在稳定热边界层时期发挥主导作用并促进对流发生,形成双热边界层结构.受温度梯度驱动Soret效应引起组分定向迁移,产生Dufour效应促进能量输运.与拟纯流体对比后发现,自然对流发展阶段混合流体中Soret和Dufour效应具有促进流动增强换热的效果.     

高瑞利数下封闭腔内自然对流的数值模拟

为了推广应用高瑞利数下的自然对流换热技术,有必要对自然对流流动与换热特性进行深入研究。采用不引入人工扰动的直接数值模拟方法,对发生在高宽比为4的封闭腔内的自然对流流动与换热进行了研究,分析了平均温度、平均主流速度、涡量和局部努塞尔数的分布特性。研究结果表明:从静止等温流体初始条件出发,不引入任何人工扰动自然对流可以顺利发展到湍流,节约了计算资源;即便瑞利数等于1010,自然对流的平均温度、平均主流速度、涡量和局部努赛尔数分布都具有边界层型流动和换热的特征;在普朗特数为0.71~500的范围,当封闭腔内自然对流换热出现湍流换热特征时,局部瑞利数处于107~108量级。     

幂律流体管内充分发展的对流换热分析

将非牛顿流体的动量方程、能量方程和幂律流体的本构方程相结合 ,建立了幂律流体管内流动和换热充分发展时的对流换热控制方程组 ,并在恒热流和恒壁温边界条件下分别对方程组进行了求解 ,得到了两种不同边界条件下的温度分布和无量纲对流换热系数 (Nu数 )的表达式。结果表明 ,幂律流体的流变指数对流体流动的影响要大于对换热的影响 ;在恒热流边界条件下 ,幂律流体的温度在管内沿轴向呈线性分布 ;而在恒壁温条件下 ,其截面平均温度沿轴向呈指数规律变化。幂律流体的无量纲对流换热系数与幂律流体的流变指数有关 ,并且在两种边界条件下 ,均随着流变指数的增加而减小     

多孔介质中超临界压力CO2对流换热的实验研究

对超临界压力下CO2在颗粒直径为0．2～0．28mm的竖直烧结多孔介质圆管中的对流换热进行了实验研究．对热流密度、质量流量、入口压力及流动方向对对流换热规律的影响进行了研究，结果发现：准临界点附近CO2强烈的物性参数变化，尤其是定压比热的变化对对流换热的影响很大；对流换热系数随着流体局部平均温度的升高在准临界点附近达到最大；随着热流密度的增加，对流换热系数出现先增大后减小的趋势；质量流量越大，对流换热越强；流动方向对对流换热的影响不大；随着压力靠近临界压力，CO2的物性参数变化越来越剧烈，对流换热系数在准临界点附近也越来越大，但随着流体温度远离准临界点，压力对对流换热的影响逐渐减小．     

Similarity solutions for the mixed convection flow over a vertical plate with thermal radiation

The steady laminar boundary layer flow adjacent to a vertical plate with prescribed surface temperature immersed in an incompressible viscous fluid, where the effect of thermal radiation was taken into consideration, was investigated. The governing partial differential equations were transformed into a system of ordinary differential equations using similarity transformation, before being solved numerically by the shooting method. Both assisting and opposing buoyant flows were considered. It is found that dual solutions exist for both cases. Moreover, numerical results show that the heat transfer rate at the surface decreases in the presence of the radiation effect.     

微重力下管内凝结换热性能的研究

为了预测失重条件下航天飞行器中冷凝器的传热性能，提出了一种研究微重力场中管内凝结换热过程的方法，建立了管内环状流域层流凝结换热的数理模型。改变重力加速度ｇ值进行仿真计算，随着ｇ值的减小，凝结液膜变厚，使凝结换热恶化，例如在相同冷却条件下，当进口蒸气Ｒｅ数为１０４时，ｇ＝０和ｇ＝９．８ｍ／ｓ２环境下的平均冷凝Ｎｕ将降低３０％。并以重力场中垂直管内凝结换热的实验结果对模型进行了间接的检验。给出了预测零重力环境中管内平均凝结换热系数的准则关联式，可供航天器热控系统的热分     

Boundary layer flow and heat transfer of a micropolar fluid near the stagnation point on a stretching vertical surface with prescribed skin friction

The steady laminar mixed convection boundary layer flow and heat transfer of a micropolar fluid near the stagnation point on a stretched vertical surface with prescribed skin friction were considered. The governing partial differential equations were transformed into a system of ordinary differential equations, which were then solved numerically using the shooting method. Results for the stretching velocity, the local Nusselt number, the temperature, and the velocity profiles are presented for various values of the mixed convection parameter λ and material parameter K when the Prandtl number is equal to 1. Both assisting (heated plate) and opposing (cooled plate) flow regions are considered. It is found that dual solutions exist for both assisting and opposing flows.     

管壁导热对管内流动流体热边界条件的影响

对层流管内受迫流动热入口段内流体与管壁间耦合传热进行了计算 ,研究了试件几何尺寸、试件与流体物性参数及流体流动状态对内管壁处流体热边界条件均匀性的影响。研究结果表明 ,即使在管外壁均匀加热 (或冷却 )的情况下 ,管壁导热也使得内管壁处流体的热边界条件出现明显的不均匀性。影响这种不均匀性的主要因素是Peclet数、管壁材料的相对导热系数、实验段相对加热长度及管壁相对厚度等无量纲参数。为了改善管内壁处流体的热边界条件以提高对流换热实验结果的精度和可靠性 ,在保证管外壁加热 (或冷却 )均匀性的前提下 ,一定要尽可能采用足够长的薄壁管做对流换热实验的加热段。此外 ,试件的材料与拟采用的加热方式有关。恒壁温加热时要选用导热系数大的材料 ,而恒热流加热时 (如外绕加热丝加热或管壁直接通电加热 )则应选用导热系数较小的材料     

热管热性能的实验研究

进行了热管与铜棒热性能的对比实验。实验结果表明,只有当速度场、温度场和重力场协同时,热管才具有最佳传热能力。热管总热阻随倾角变化,逆重力工作时的总热阻分别是重力辅助和水平工作的100倍和10倍;热源在上垂直热管的蒸发端和冷凝端的当量换热系数分别是水平放置热管的4倍和3倍;铜棒热阻是相同尺寸热管垂直热源在下时的100倍以上,体现了热管热阻小、传热系数大及等温性好的优势。     

狭缝射流冲击柱状凸形表面流动换热特性

采用数值方法研究了狭缝射流冲击柱状凸形表面的流动换热特性,通过四种湍流模型计算结果与实验数据对比,确定了湍流模型适用性.以压力梯度分布为依据,重点分析了狭缝射流沿柱状凸形表面的流动结构和边界层分离特点及柱状凸形表面的强化换热特性.结果表明:RNG k--ε和Realizable k--ε模型具有预测适应性;狭缝射流冲击至柱状凸形表面,气体沿表面运动,速度降低,并在流动下游发生边界层分离;量纲一的逆压梯度随量纲一的曲率半径(D/B)的减小而增大,使得边界层分离更早出现;驻点区域换热Nu随量纲一的曲率半径(D/B)的减小而获得增强,但流动进入下游后,D/B对换热基本无影响;压力梯度是影响狭缝射流冲击柱状凸形表面换热分布的重要因素.     

不同热流下平行平板微槽内流体滑移流动与层流换热

对两侧不同定热流热边界条件下,流动与热充分发展的平行平板微槽在滑移流区内的层流换热进行了理论分析,研究了微槽内温度场的分布和换热特性,并讨论了Kn、热流比、动量协调系数、热协调系数等的影响.     

强化对流换热场协同唯象理论

根据现代热力学流与力的热力学线性唯象关系，导出了对流换热强度与流体中存在的各种内场及外场的关系，从唯象上阐明了降低热边界层厚度、增加流体优动和增加近壁面速度梯度的强化对流换热方法的物理机制。结果表明，强化对流换热的本质是控制内场和外场方向的协同，并从此可指导发展强化对流换热的新方法。