隔板对流系统中影响流动和温度特性的关键几何参数

有效提高热对流系统的传热效率是湍流热对流研究的重要目标之一.在对流装置中加入留有狭缝的竖直隔板可以产生传热效率增强现象,并且增强显著.隔板的加入增加了热对流系统的几何参数.本文采用直接数值模拟(DNS)对隔板对流装置的流动和温度特性进行计算研究,讨论隔板几何参数对流动特性的影响.研究结果表明,隔板局部区域几何尺寸相同则流动特性基本相同,装置的宏观宽高比对流动特性影响不大.对Ra=10~8,P_r=5.3的情况,通过大量不同几何参数系列计算数据分析发现,通道宽度b与狭缝高度d在满足b≥4d时,b对流动特性影响很小,狭缝高度d是控制隔板对流系统流动和温度特性的关键几何参数.狭缝水平流动为二维泊肃叶流动,与狭缝中的温度分布解耦.改变狭缝高度d对狭缝中流动速度的变化影响不大,但影响系统的流动流量以及整体温度分布特性,继而影响整体传热特性.     

不同Ra数下隔板Rayleigh-Bénard对流系统的流动和增强传热特性

本文计算研究Ra数对隔板对流系统的流动和增强传热特性的影响.对于无量纲的狭缝高度d=0.02,传热通道的无量纲速度U和温度TD数随Ra数的变化有两个阶段,低Ra数时U随Ra数增高而上升, TD数变化不大,高Ra数时U变化不大, TD数随Ra数增高而下降.传热Nu数随Ra增高而增大,低Ra时Nu数随Ra数快速上升, Nu～Ra~(1.1),高Ra时Nu数增大变缓, Nu～Ra~(0.14).与无隔板对流系统Nuno～Ra~(0.29)对比, Nu数呈现先快速增大而后变缓的过程,出现增强传热区间和Nu数增强最大值Nuq,为7×10~5≤Ra≤5×10~9, Nuq≈3Nuno,对应Ra|Nuq≈10~7.不同狭缝高度d时速度U和TD数及Nu数随Ra数的变化特性曲线特征保持不变,但会改变特性曲线对应于Ra数的位置.狭缝高度d增大,特性曲线向低Ra数方向移动.不同d将改变隔板对流系统Ra数的传热增强区间.三个不同狭缝高度的Nu数增强最大值都是Nuno的3倍左右,狭缝高度d越大,对应的Ra数越低.     

狭缝流动沸腾强化传热机理的探讨

假定总热流密度来自对流和汽泡潜热两种成份的叠加,从理论上分析了狭缝通道中流动沸腾传热的机理,揭示了沸腾换热系数与通道尺寸之间的关系,从而证明了狭缝通道能强化传热,并以间隙为1mm和1．5mm的环形狭缝通道中流动沸腾传热的实验数据进行了检验。     

压-电场耦合下纳米尺度水输运的MD模拟

运用分子动力学方法构建了纳米尺度的输运模型,针对纳米通道内水分子的流动与传热特性,分析了通道内压-电场耦合下水的速度分布、密度分布、自扩散系数和黏度等流动特性,同时也讨论了温度对通道内热导率的影响.模拟结果表明,速度轮廓从单纯电场驱动的电渗流型开始转变,由于压力的影响,速度分布呈抛物线型,速度随温度的升高而增大；温度的...     

射流纵向涡强化换热的数值模拟

为研究射流引起的纵向涡对流动和换热性能的影响,采用数值方法模拟了三维矩形通道内有射流从底面进入时的定常、不可压层流对流换热,得到了纵向涡影响下的速度场和温度场以及沿流动方向局部Nusselt数的分布.以场协同原理为指导,分析了射流纵向涡强化换热的原因,并进一步研究了射流角对纵向涡的换热强化效果的影响.结果表明 纵向涡改善了通道内速度场和温度场的协同关系,强化了对流换热; 射流垂直底面入射时,纵向涡的换热强化效果较好.     

管束间狭窄通道单相及沸腾流动传热实验关联式

以R113为工质,对不同当量直径管束通道内的流动传热特性进行了实验研究.在对单相强制对流实验数据与Sieder-Tate、Dittus-Boeher和Gnielinski公式的计算结果进行比较的基础上,得出了适合管束间狭窄通道的单相强制对流传热关联式;通过分析管束间狭窄通道中流动沸腾的传热特性,得到了可用于该通道的流动沸腾传热实验关联式,且计算值与实验值吻合较好.     

不同热边界条件下微通道内气体的流动与传热特性

构建了微尺度条件下含黏性热耗散和压力功的总能形式的双分布函数格子Boltzmann(LB)模型,计算并分析了恒壁温与恒热流边界条件下,稀薄效应对速度驱动的平直微通道内气体流动与传热特性的影响.结果表明:在不同的热边界条件下,稀薄效应对微通道内气体流动特性的影响一致,即均使得气体流速增大,通道摩擦系数减小;由于气体温度场分布的差异,使得稀薄效应对气体传热特性的影响截然不同,在恒壁温边界条件下气体传热特性有所提高,而在恒热流边界条件下气体传热特性有所减弱.     

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。     

小通道内高参数火箭煤油流动传热特性研究

为探究火箭煤油在实际工程应用中的流动传热特性,在直径为2 mm、壁厚为0.5 mm的水平圆形小通道内进行了实验研究,实验参数为压力25 MPa、热流密度2～35 MW·m~(-2)、质量流速8 000～48 000 kg·m~(-2)·s~(-1)。根据实验结果,讨论了质量流速、工质入口温度和热流密度对火箭煤油流动传热特性的影响,拟合得到了高参数火箭煤油的对流传热关联式,并引入概率密度函数(PDF)来减缓超临界煤油热物性随温度的剧烈变化。结果表明:超临界压力下煤油传热类似单相液体强制对流传热,传热系数沿流向递增;质量流速、入口油温和热流密度的增大均可带来传热强化。低雷诺数下,质量流速越大,入口油温越低,流阻越大;雷诺数大于10~5时,摩擦阻力系数主要取决于管壁相对粗糙度,与雷诺数无关。新的拟合传热式考虑了各物性参数的影响,可将平均预测偏差降至7.3%;同时,基于PDF的传热模型可以平滑拐点温度附近热物性的不连续快速变化,在388～430℃的范围内有效降低预测误差。     

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。     

水基碳纳米管悬浮液强制对流换热特性

对水基碳纳米管(CNT)悬浮液在内径1.02 mm水平不锈钢管内的强制对流换热和流动阻力特性进行研究,考察了CNT质量分数和悬浮液温度对悬浮液强化传热和对流换热特性的影响.结果表明:CNT/水悬浮液的流动阻力特性呈现出与水相似的特性,具有常规流体的流动特性;与水相比,CNT/水悬浮液显示出较好的强化换热特性,且CNT/水悬浮液温度越高,其传热强化效果越明显;当CNT/水悬浮液温度较高时,其在对流传热中呈现出明显的纳米效应,而在常温时依然显示出常规流体的传热特性.     

弦月形通道内热虹吸沸腾强化传热的数值计算

弦月形狭缝通道热虹吸沸腾传热具有明显的传热强化效果 ,以溴化锂水溶液为工质的实验测试表明 ,其传热系数达到5～ 6kW/ (m2 ·K) .基于这种狭缝通道气泡底部薄液膜蒸发机理 ,建立了狭缝沸腾传热组合机理模型 .计算结果表明 ,随着时间的延续 ,膜内温度逐渐趋于线性分布 ;热流密度增大 ,液膜厚度变薄 ;沸腾传热系数随着热流密度的增大而增大 .分析了不同边界及初始条件下的气泡底部液膜蒸发传热特性 ,解释了气泡受挤压变形后气泡底部的液膜厚度减薄是传热效率得到增强的主要原因 .该传热模型的求解结果与实验结果吻合良好 ,说明本模型是合理的     

电站凝汽器汽相流动与传热特性的准三维数值分析

为了研究凝汽器流动与传热特性沿轴向的变化,文中发展出一个凝汽器汽相流动与传热特性的准三维数值计算方法,应用该方法对一大型凝汽器汽相流动与传热特性进行了数值模拟．计算结果表明,单流程凝汽器冷却水温度沿流向的变化对蒸汽流动与传热的三维特性会产生明显的影响．     

正压式狭缝牵伸器内部结构参数的优化

依据气体动力学不等熵流动理论,采用带旋流修正的κ-ε湍流模型对正压式狭缝牵伸器内部流场进行数值计算,得出正压式狭缝牵伸器参数引射段长度、狭缝宽度、牵伸段长度、空气刀口距离及喷射角对流场内压力和速度的影响,并提出了各参数的最优化数值.计算结果可为牵伸器内部结构的最优化设计提供理论依据,为提高长丝拉伸效率和拉伸速度给出了研究方向.     

某新型蒸汽脉冲式声频清灰装置的流场分析

为深入研究某新型蒸汽脉冲式声频清灰装置内的流动情况,建立了清灰器三维流道几何模型,并按照几何模型的复杂程度采用分区域法划分网格。通过Fluent软件对清灰装置内流道进行数值模拟计算,分析不同开度下装置内流体流动特性以及开度与速度对流道压损的影响作用。研究结果表明:流道内压降主要用来克服狭缝区因节流造成的压损,随着开度由20%增大至100%,狭缝区压力分布变化最剧烈的部位由上、下狭缝交接处逐渐上移至环形腔体与上狭缝交汇处;环形腔流道内流体由两侧对称流动,并且由两个狭长的旋涡逐渐变成绝大多数流体逆时针流动、少部分顺时针流动,旋涡数量变为一个且规模变小;流体总压降随狭缝开度增大而减小,且减小幅度随开度的增加逐渐降低,同一开度下,入口流动速度对流场总压降影响较小。结合中、大开度下清灰装置压降较小、流动稳定性较好这一情况,建议装置多在中、大开度下运行,以改善其稳定性并减少能量损耗。     

黏性耗散对幂律流体在多孔介质内对流换热的影响

基于Darcy-Brinkman-Forchheimer流动模型,比较了幂律型非牛顿流体在饱和多孔介质通道内充分发展的强迫对流换热过程中不同黏性耗散的影响,推导出量纲一的轴向流速分布、量纲一的温度分布,及对流换热特征参数的计算表达式,并在恒热流边界条件下,利用经典四阶Runge-Kutta法对不同情形下的黏性耗散效应进行了数值求解.模拟结果表明:对流换热特性与速度分布密切相关,不同的黏性耗散Darcy项、Al-Hadhrami项和Forchheimer项对流动换热特性有重要的影响,且布林克曼数Br、达西数Da、综合惯性参数F和幂律指数n等参数对流动换热特性也有着较大影响.     

孔隙率阶梯分布多孔介质内传热及流动性

为研究孔隙率阶梯分布多孔介质内传热及流动,采用局部热平衡假设,考虑流体密度随温度变化,引入Brinkman-Forchheimer的扩展Darcy模型进行修正,建立水平方向孔隙率阶梯分布多孔介质自然对流数值模型,采用有限体积法进行计算.对数值模型进行实验验证,分析出孔隙率阶梯分布对传热及流动的影响.综合数值计算和实验结论表明:相同温差条件下,大孔隙率侧为高温壁面时对流传热达到稳态的时间比小孔隙率侧为高温壁面时要短;流体速度场分布主要受孔隙率分布影响,最大流速随温差和Ra增大而增大,且最大流速出现在大孔隙率靠近壁面处,与是否靠近高、低温壁面无关;高温壁面平均努谢尔数u随着Ra增大而增大,当lgRa4时,Ra的增加对u的变化影响较小.     

燃气透平叶片尾缘开缝结构冷却性能的数值研究

采用包含流体域和固体域的耦合传热数值求解方法,研究了压力侧开缝结构对典型燃气透平叶片尾缘冷却性能的影响,并利用已有的实验数据考核了数值方法的有效性和精度。通过计算获得了不同冷气量、开缝唇厚条件下尾缘部位的冷却性能。结果表明:在所考核的3种涡黏湍流模型中,标准k-ω湍流模型可以较好地模拟叶片尾缘的冷却性能;采用流固耦合传热计算方法可以较好地模拟尾缘开缝出口区域冷却气体的温度分布;增大吹风比可以有效加强内部冷却通道内的对流换热,并增大尾缘开缝出口区域的气膜冷却系数;开缝的高度固定时,唇厚越大,狭缝出口台阶处形成的旋涡尺度增大,减轻了主流流体对狭缝出口壁面的直接冲击,导致狭缝出口区域的总体冷却效果稍微提高,但整体流动损失增大。     

带有倾斜楔形肋片矩形通道内的流动与换热

提出了一种新型的燃气轮机叶片内部通道强制对流冷却方案.为了探明该种对置叉排倾斜楔形仿螺旋肋片通道结构特有的综合换热效果,利用数值分析方法研究了在通道宽高比为2.9、肋高与通道当量直径比为0.336、肋片与轴面的夹角为15°、雷诺数在2×104~1×105的非旋转情况下,雷诺数、肋片与主流方向夹角等参数对通道强化传热和流动阻力特性的影响.研究结果表明,该仿螺旋通道内流体流动达到了预期的仿螺旋流动效果,且该仿螺旋流动的效果随着楔形肋片与主流方向的夹角的增大而效果愈趋明显.这种旋转流动特性对内冷通道的强化传热和流阻特性具有很强的影响,与光滑通道相比,通道平均努塞尔数得到了明显的提高,但同时流动阻力也显著增加.     

封闭方腔自然对流的涡结构和传热特性

为研究封闭方腔自然对流的涡结构和传热特性,对普朗特数,Pr=0.71,方腔高长比A=H/L=1,瑞利数Ra=1.58×109的二维封闭方腔自然对流进行了直接数值模拟. 给出了水平边界层发展阶段和垂直边界层转捩阶段的流场结构以及Nu数分布. 结果表明,压力梯度对方腔的水平速度变化起着决定性的作用;高Ra数下的自然对流在逆压梯度作用下水平方向形成一系列的涡,这些涡使得水平边界层流动形成分层结构;壁面Nu数与速度梯度?v/?y有着密不可分的关系.