湍流换热的场物理量协同与传热强化分析

在层流换热场物理量协同原理的基础上, 针对湍流零方程模型和k-ε 两方程模型, 建立了湍流换热的能量和动量协同方程, 揭示了湍流换热流场中热流、质量流与流体流动驱动力之间的协同关系及其所反映的强化传热机理, 将强化传热的场物理量协同原理由层流延展到湍流. 通过圆管内置旋扭式螺旋片的强化传热计算分析, 证明了湍流换热场物理量协同原理具有普遍性. 因此, 根据湍流换热流场的物理量协同关系, 可对各种不同的管内强化传热元件和表面的换热性能和流动阻力进行分析比较, 从而为提高传热单元或换热器的综合性能提供理论和设计依据.     

对流换热层流流场的物理量协同与传热强化分析

在传热强化场协同原理的基础上, 从流体与壁面之间层流对流换热的物理机理出发, 提出了对流换热层流流场质点物理量的协同原理, 揭示了质点物理量的协同规律以及与传热强化之间的关系, 得出了反映质点物理量协同程度的数学式, 描述了协同角a,b , y, φ, q  和y 之间的关联性, 解释了换热强化和流体减阻的物理本质, 并通过数值计算验证了具有一般性的质点物理量协同原理, 对传热单元及换热器的设计和优化具有一定的指导意义.     

换热器强化的场协同原则

提高换热器的传热性能可以有两个层次, 第1个层次是增加对流换热系数, 第2个层次是改善换热器整体安排. 围绕第2个层次讨论, 提出了改善换热器中冷热流体温度场间的协同就能提高换热器的效能. 换热器中冷热流体温度场的函数形式越接近, 冷热流体的温差场越均匀时, 称冷热流体温度场的协同越好. 通过重新分布换热面积可提高叉流换热器的效能, 当换热面积具有最佳分布时, 叉流换热器的效能可与逆流换热器的效能相等. 多股流换热器中, 顺流换热方式的换热量可以高于逆流换热方式, 表明换热器的传热性能的高低取决于它们的温差场均匀性即冷热流体温度场协同程度, 而不是取决于流动方式.     

矩形通道内伴随冷凝的烟气对流换热的优化

针对矩形通道内伴随水蒸气冷凝的烟气对流换热,建立显热和潜热火积平衡方程,并导出火积耗散的表达式.利用火积耗散极值原理获得了伴随冷凝的烟气对流换热的场协同方程,并通过数值求解包括场协同方程在内的控制方程组,得到了矩形通道内的最优速度场为多纵向涡的流动结构,该流型提高了速度场与温度场、速度场与浓度场之间的协同程度,从而可以在黏性耗散增加较小的条件下使传热传质过程得到显著强化.在通道内布置不连续双斜肋可以产生接近于最优流场的多纵向涡流动,在Re=600时,与光滑通道相比,不连续双斜肋通道中烟气的总换热量增加29.02%,冷凝换热量增加了27.46%.     

基于理论的圆柱体热源构形

基于构形理论和理论,以当量热阻为目标对层流冷却条件下的圆柱体热源进行构形研究,分析热源直径和导热系数对其传热性能的影响.结果表明:在热源体积一定的条件下,不存在最佳热源直径使得其当量热阻取得最小值.随着热源直径的减小、导热系数的增大,热源当量热阻减小,此时热源系统的整体传热性能得到提高.此外,圆柱体热源表面温度沿来流方向逐渐增大,且其表面换热系数沿来流方向逐渐减小.本文所得结果对热源的优化设计有一定的参考价值.     

热质传递过程的场协同原理

热量和质量同时传递的过程在自然界和工程实践中广泛存在, 如何提高热质传递效率有重要的实际意义. 本文从同时进行热质传递的能量方程出发, 推导了对流传热传质的场协同方程. 结果表明, 有质量传递的总传热量(包括通过换热面的导热量和换热面质量扩散传递的热量)取决于流体流速和流体焓值梯度的大小以及流速与焓值梯度场协同角α的大小. 减小协同角α, 就可以增强热质交换, 也就是说, 速度场和焓值梯度场的协同性越高, 总换热量越大. 并由热质传递的场协同方程发展了一些可以提高热质传递效率、解决工程实际问题的方法.     

潜热型功能热流体层流强化传热分析新模型

建立了分析潜热型功能热流体的层流强化传热的新模型. 该模型的主要特征是: (1) 应用新推导的潜热型功能热流体定压比热公式; (2) 考虑了真实的相变传热过程, 即, 相变微胶囊与单相工作流体间换热, 壁面与两相混合流体间换热; (3) 用新建立的轴对称双倒易边界元和有限差分联合的数值方法求解该数理方程. 新模型的可靠性用已有实验结果进行了验证. 得到了一些新的物理结果, 如定压比热在空间与时间随相变传热过程变化的特征, 捕获了相变界面随时间推进图像, 等等, 还数值分析了影响潜热型功能热流体强化传热的几个主要物理因数, 对该功能流体强化传热机理获得了一些新认识.     

端部圆角结构提升带针肋微通道热沉均温性

布设针肋的微通道因其具有较高的强化传热传质效率而得到了广泛应用,但针肋背风侧端部存在的局部高温区域和整体较差的均温性将会提升换热表面的温度梯度,产生额外扩展热阻,将在很大程度上影响系统的调制响应,以及设备的经济性和可靠性.为解决上述问题,本文提出了采用端部圆角结构改进带针肋微通道热沉均温性的研究思路,并详细分析了其周期性层流流动换热性特性,由结果可见,Re=0~120时该新型针肋强化了微通道内的展向和法向二次流,提升了外侧换热面和针肋表面的均温性,有效消除了针肋背风侧端部的局部高温区域,并且随着圆角半径的增加,上述效应逐渐增强,通道努塞尔数最大增加了16.93%;而与传统带针肋微通道热沉相比,该新型微通道的阻力系数并未明显增加,因此,通道综合热性能系数最大增加了16.22%.此外,随着Re数继续增加,圆角结构对通道换热性能的影响逐渐减弱.     

梯度结构多孔表面强化沸腾及其在相变器件中的应用

表面微/纳加工是强化沸腾传热的重要方法和研究热点.很多基于表面微/纳加工技术的梯度结构多孔表面也展现出了良好的强化沸腾能力,但不同的梯度结构多孔表面对沸腾传热的影响目前尚缺少系统性的研究.本文从几何尺寸梯度和润湿性梯度两个方面回顾了梯度结构多孔表面的沸腾强化进展以及对应的相变器件研究.几何尺寸梯度结构表面可分为单层几何梯度结构多孔表面、多层几何梯度结构多孔表面、覆盖微/纳米层的梯度结构多孔表面以及径向梯度孔径多孔表面.除几何尺寸上的梯度结构对强化沸腾有明显效果,润湿性梯度的改变也被证明可以大大提高沸腾换热效果.由于梯度结构多孔表面优异的沸腾传热性能,其在相变器件(如环路热管、平板热管等)方面得到了广泛应用,并有效提升了器件的传热性能.本文总结了部分梯度结构多孔表面在强化沸腾传热及提高相变器件性能方面的共同点,为后续的进一步研究奠定了基础.但是梯度结构多孔表面还有进一步优化的空间,对梯度结构多孔表面的进一步研究将有助于得到更高效的沸腾换热表面和相变传热器件.     

烧结多孔表面分布式阵列射流沸腾

使用50, 100和200μm粒径的铜粉,分别烧结制作了厚度为2倍粒径的多孔结构表面,以新型环保电子冷却液HFE7000为工质,进行了分布式阵列射流沸腾的换热性能实验,并将实验结果与光滑表面进行了对比.结果表明,烧结多孔表面增加了对流换热面积,增强了流体扰动,大大强化了单相段换热性能,且流量越高,强化效果越显著;100和200μm颗粒烧结表面的强化效果接近,且明显好于50μm颗粒烧结表面,表明粒径和厚度对传热性能具有重要影响.在射流沸腾换热过程中,多孔烧结表面提供了更多的气化核心和更大的换热面积,但同时也增加了蒸汽逸出阻力, 100μm颗粒烧结表面强化效果最佳,其最大沸腾换热系数比光滑表面提高了61%.分布式射流是沸腾表面补液的主要途径,由于HFE7000本身表面张力小、亲水性好,多孔表面吸液能力对于临界热流密度(critical heat flux, CHF)的影响较小, 100μm颗粒烧结表面的CHF和光滑表面相比仅提高了17%.尽管如此,烧结多孔表面的核态沸腾偏离点(departure from nucleate boiling, DNB)与CHF之间的热流密度区间显著变大,对实际应用过程有利.     

相变储热单元内肋片结构的拓扑优化

以管壳式相变储热系统为研究对象,以强化储热系统的换热能力为目的,基于拓扑优化原理,建立了二维相变储热系统模型,对储热系统模型的传热能力进行了研究,讨论了不同的肋片设计对于传热能力的影响.研究结果表明:通过与传统肋片模型传热能力对比,验证了拓扑优化的优越性和可靠性;揭示了自然对流对于肋片优化和系统换热能力的影响规律;通过对肋片进行了几何重构并对重构模型进行数值模拟验证,证明了重构模型的准确性和可靠性,为实验验证打下基础.     

板式热交换器能效评价方法

热交换器内的冷热流体实现热量传递需要消耗泵功.如何科学定量评价其能源效率,是学术界和行业都迫切需要解决的问题,对提升工业节能减排有重要意义.本文通过理论分析热交换器水水无相变流动与传热综合特性,提出了一种能效评价指标EEI(=k/?pn,总传热系数k与压力梯度?p).EEI反映了热交换器的固有能效属性,代表热交换器消耗单位折合流动压降获得的传热系数.当温差与流体流量相同时,对于相同换热面积和相同流体流动长度的热交换器而言,能效指标EEI越大,消耗单位折合泵功获得的热流量越大.换热面积变化对能效指标无影响,通过合理选取指数n,可使EEI与流速无关或为弱相关关系.能效指标具有良好的稳定性,依据性能测试国标获得的热交换器能效评价结果可以代表热交换器的能效水平.结合板式热交换器水水无相变流动传热性能数据库,得到了该类热交换器能效评价指标的指数n,以及行业总体的能效指标分布,为划分板式热交换器能效水平提供了依据.     

微孔膜管显著强化R123冷凝传热

新能源和低品位能源利用需要高效相变换热器,将微孔膜插入管内(以下简称调控管)可提高近壁区质量含气率,从而显著强化传热.本文进行了R123在水平管内的冷凝传热研究,比较了光管与调控管的冷凝传热特性.研究表明,微孔膜管可显著强化冷凝传热.在实验参数范围内,强化传热因子EF达到1.118~2.124,综合评价因子PEC在0.71~1.66的范围内,大部分实验工况的综合评价因子大于1.当实验段出口为气液混合物时,强化传热因子EF随入口蒸气质量流速Gxin的增大而增大.当实验段出口为过冷液体时,强化传热规律与之相反.通过可视化图像及管内压力和速度分布的讨论,本文分析了微孔膜管冷凝传热强化机理.     

基于熵值法的上轮规划实施经济效益评价

通过建立合理的指标评价体系,应用熵值法对评价指标的权重进行确定,对襄垣县上轮规划实施经济效益采取定性和定量相结合的手段进行了评价分析.结果表明,全县在上轮规划期间,农业用地经济效益评分值在0.0255和0.1682之间,建设用地经济效益评分值在0.0182 和 0.5639之间,农业用地和建设用地均取得了良好的经济效益.     

螺旋通道内流体流动与传热特性研究进展

螺旋通道是提高流体传热及传质效率的重要结构,以其节省空间及易于加工的特点被广泛应用.而通道内流体的流动和传热特性作为评价螺旋通道的重要性质,对其实际应用具有重要的指导意义,成为近年来的研究热点.而研究重点主要集中在螺旋通道的结构参数和流动工质两个方面,本文对螺旋通道内流体流动与传热特性研究进行综述,总结了螺旋通道结构及流动工质对其性能的影响规律;具体分析了螺旋通道直径、管径、螺距、截面形状等结构参数以及流动工质种类、浓度等物性参数对其传热系数和流动阻力的影响;对比了层流及湍流状态下实验和数值模拟结论;为螺旋通道结构优化及工质选取提供了参考,并且展望了螺旋通道内流体流动及传热特性研究的发展趋势.     

火积耗散数及其应用

基于描述物体热量传递能力的物理量—— , 定义了用于评价换热器整体性能的 耗散数. 发现在传热单元数和热容率比一定时, 耗散数越小, 换热器性能越好. 通过分析 耗散数随换热器有效度的变化规律, 发现 耗散数避免了熵产数导致的“熵产悖论”, 并可作为评价不同流动型式的换热器整体性能的标准, 因而和改进的熵产数相比, 具有明显优势. 同时 耗散数体现了换热过程中冷热流体不均衡引起的不可逆性.     

金属泡沫复合微肋微通道热沉的流动传热特性分析

构建了一种金属泡沫和固体微肋相结合的复合微肋微通道热沉(combined fin heat sink, CFHS),采用扩展型达西模型和局部非热平衡传热模型数值研究了复合微肋微通道热沉的流动与传热特性,结合热阻网络分析了复合微肋结构的传热规律,并对复合微肋热沉的综合换热能效进行了评价.结果表明,与传统固体微肋结构相比,复合微肋结构可显著提升微通道热沉的换热性能;金属泡沫厚度和孔隙率是影响换热性能的主要因素,存在最佳金属泡沫临界填充厚度以及最佳孔隙率参数设置.相对于传统固体微肋热沉,本文研究的复合微肋热沉热阻降低了约56%,综合换热能效提升了约1.32倍,金属泡沫最佳孔隙率及临界无量纲厚度分别为0.9和0.3.本文相关研究成果可为开发高效的电子设备冷却装置提供理论指导.     

垂直相分离冷凝管内气泡泄漏机理

提出相分离冷凝管在管内悬空布置微米级金属丝网,形成"气贴近管壁,液在中心"的流动结构,在管壁形成超薄液膜,显著提高管内冷凝换热系数.然而,相分离冷凝管内气泡向丝网中的泄漏,可能影响冷凝传热强化.为避免气泡泄漏,本文基于杨-拉普拉斯方程,通过考虑惯性力、黏性力及冷凝管内特有的脉动流等因素,提出相分离管内气泡泄漏的理论判别式,发现气泡泄漏主要取决于无量纲参数G*与We数;利用VOF方法发展了相分离结构中两相层流流动的数值模型.对气泡泄漏现象进行数值分析,结果表明,气泡泄漏出现在气泡顶端,与实验吻合良好;通过对比不同G*与We数下气泡运动规律,获得了气泡泄漏临界曲线,确定了气泡泄漏理论判别式中的待定参数,最终给出垂直相分离管内气泡泄漏临界判别表达式,为相分离冷凝管的设计及运行提供了理论依据.     

非均匀热流下R245fa/R134a两相流型及换热特性

针对有机工质在非均匀热流边界条件下的气液相变问题,基于质量分数配比为0.7:0.3的非共沸工质R245fa/R134a,建立了非均匀热流下10 mm内径水平管内的两相流动沸腾换热实验系统.实验工况为质量通量175～373kg/(m~2s),热流密度9.95～47.57 kW/m~2.利用高速摄像仪和图像处理技术,对观察到的泡状流、塞状流、分层流和环状流4种流型进行了灰度值分析,并分别绘制了非均匀加热和均匀加热时的流型图.基于流型分析了干度、质量通量、热流密度和饱和温度对两相换热系数的影响,并将实验数据与4种现有关联式进行对比.结果表明,在相同的加热量下,相比于均匀加热条件,非均匀加热条件下流型由间歇流转变为环状流时的初始干度更低;换热系数在低干度区随干度变化较小,而在干度较高的环状流区域随干度增大而增大.此外,换热系数随质量通量、热流密度增大而增大,而饱和温度对对流沸腾区换热系数的影响不大,对核态沸腾区有一定影响.在非环状流区域4种换热关联式的预测能力都表现较差,而在环状流区域SunMishima关联式的预测精度相对最高.     

气固两相交叉射流相间传热的LBE-DEM模拟

采用格子波尔兹曼/离散元(LBE-DEM)耦合方法模拟气固两相交叉射流相间传热,重点考察了流体和颗粒之间的热量双向耦合及其对两相传热过程的影响.流场雷诺数Re=1000,在相同颗粒数目下选取了10,25,50三种Stokes数.研究分析了气固多相交叉射流中气相温度分布,颗粒群分布形态特性以及相间的双向耦合传热特性及其影响因素.研究发现交叉射流两相传热过程在撞击前期和后期分别受两相平均温差和两相换热系数的主导,而其主导因素的转换与颗粒动态响应特性有关.