一种适用于复杂结构管翅式换热器传热性能分析的高效数值方法

特征正交分解POD(Proper orthogonal decomposition)低阶模型是一种对物理问题的高保真加速技术,被广泛应用于工程实际.本文针对带涡产生器的扁管管翅式换热器这一复杂结构中流动与传热特性问题,构建了适用于求解该类问题的POD低阶模型.采用SVD(Singular Value Decomposition)方法从样本中提取基函数,将基函数与谱系数结合,探究空气侧雷诺数、翅片间距、横向管间距这3种参数变化下传热单元的温度场和速度场.研究结果表明:POD方法对于复杂结构的多变量稳态问题是适用的,重构温度场的平均相对误差最大值为0.0047%,重构速度场的平均相对误差最大值为0.036%.而且,POD方法不仅计算精度高,在计算速度上也平均高达SIMPLE算法的556倍.本文POD方法在扁管管翅式换热器传热特性方面的研究尝试,拓展了该方法的工程应用范围,对于提高复杂结构换热器数值设计效率有一定的理论参考价值.     

两相水驱油低阶模型计算方法研究

将最佳正交分解技术运用到两相水驱油低阶模型中,建立油水两相的水驱油低阶模型。用IMPES的数值算法得到一维水驱油的油水两相压力和油、水饱和度数值场。通过对压力及饱和度样本数据实施最佳正交分解,得到该问题的POD基函数。POD基函数具有能量最优的特性,即在重构公式中使用较小的截断自由度可将原问题的主要特征解准确地表示出来。通过结果的対比基于POD的低阶模型可以快速、准确地计算出ー维两相油藏模型的压力及油、水饱和度场,计算时间较之直接求解方法提高将近60倍。     

一种预测流动和传热问题的快速算法

将湍流拟序结构分析中的最佳正交分解技术运用到流动和传热问题中,并在最佳正交分解技术的基础上提出了一种快速预测流动和传热问题的算法.通过对样本矩阵实施最佳正交分解得到一组特征函数.这些特征函数具有能量最优的特性,即以这些特征函数为基函数,可以用非常少的基函数将原物理问题准确地表示出来.特征系数用样条曲线插值的方式计算得到.以同心圆环内的自然对流为例验证此算法,参数Ro/Ri为2.6,Pr为0.71,5 000≤Ra≤1×105.利用该算法可以准确地预测温度场和速度场,与准确解之间的相对误差仅为0.7%,并且比SIMPLE算法快100倍.该算法有较广的使用范围,不受几何结构和流态的限制,只要有一组准确的样本便可使用.     

不同正交基函数系反演边界温度场比较

基于3种不同的正交基函数系(三角函数正交系,Legendre正交多项式和Chebyshev正交多项式),比较研究了一类二维稳态热传导方程反问题中边界温度场的数值反演方法。首先引入泛函,根据线性偏微分方程的叠加原理,将所研究的反问题转化为求解泛函极小值的正问题;然后基于测点温度,通过求解离散后的线性代数方程,得到各基函数的系数,对边界温度场进行有限维逼近,重构得到边界温度场的分布。研究结果表明:采用3种正交基函数系均能有效地重构边界温度场,数值反演结果曲线与边界温度场原函数曲线吻合较好,3种函数系均可应用于类似的反演研究。     

利用本征正交分解的非线性Galerkin降维方法

提出了一种利用本征正交分解(POD)的非线性Galerkin方法,用于复杂流体动力系统的低维建模.该方法将满足流场边界条件的正交基(POD模态)张成的完备空间分解为有限维(低阶模态)子空间和无限维(高阶模态)子空间,并采用近似惯性流形逼近高阶模态和低阶模态的作用关系,用低阶分量来表示高阶分量,将无穷维流体动力系统降维成有限维动力系统.以雷诺数为200、攻角为20°时的NACA0012翼型绕流流动问题为例进行了低维建模分析,结果表明:由于考虑了高阶模态的影响,且不改变原系统的拓扑结构,因此该降维方法能够用较少的模态数来获得准确的动力学描述,弥补了传统POD降维方法由于忽略高阶模态影响而出现的不足,由此验证了该方法的有效性.     

基于POD模型降阶法的非线性瞬态热传导分析

本文结合特征正交分解(Proper Orthogonal Decomposition, POD)模型降阶法和有限元法,提出一种求解物性参数随温度变化的非线性瞬态热传导问题的快速算法.该方法利用简单线性问题的POD基底,快速计算复杂非线性问题,具有很高的工程应用价值.首先,对结构的线性瞬态热传导问题进行分析,在实验数据或数值方法计算结果的基础上,选取一些时刻结构的温度场构成瞬像矩阵,并对瞬像矩阵进行特征正交分解获得一组最优POD基底;其次,利用线性问题的POD基底对非线性瞬态热传导问题的有限元离散格式进行降阶分析,得到非线性瞬态热传导问题降阶模型的低阶常微分方程组;最后,通过求解降阶模型的常微分方程组获得结构各个时刻温度场的分布情况.文中通过几个数值算例验证了本文方法的有效性,计算结果表明本文方法具有良好的计算精度,并且计算效率能提高1–2个数量级.     

一维变系数抛物方程基于POD基的差分格式及后验误差估计

用奇值分解和POD (proper orthogonal decomposition) 基研究了一维变系数抛物问题基于POD基的有限差分格式,先用有限差分格式计算出瞬时解构成的数据集合, 再用奇值分解和特征正交分解方法找出最优正交基重构这些数据集合,结合Galerkin投影方法导出了具有较高精度的低维模型,并给出了POD格式解与有限差分格式解的误差估计,数值例子表明POD 格式解和有限差分格式解的误差与理论分析结果是一致的,从而验证了POD 方法的有效性.     

热风加热沥青路面的湍流共轭传热与温度场预测

为了揭示沥青路面传热机理，研究了热风冲击射流对流换热和沥青路面内部导热的共轭传热过程，建立了热风加热沥青路面的冲击射流湍流共轭传热理论模型，采用大涡模拟研究了沥青路面温度场分布，获得了沥青路面温度场样本数据.利用本征正交分解法(POD)对温度场样本数据进行降阶处理，选取径向基函数插值方法，预测出了沥青路面温度场分布.仿真和实验结果表明：热风加热沥青路面冲击射流的湍流模型计算结果与实验温度的平均误差为5.4%;温度场预测精度随着选取模态阶数的增大而增强，采用POD分解与径向基函数插值方法计算温度场耗时仅为数值计算时间的0.63%,实现了沥青路面温度场快速且高精度的预测.     

二维非均匀正交Haar小波基

该文研究了二维非均匀正交Haar小、波基的结构。利用张量积定义了二维Haar尺度函数与二维非均匀正交Haar小、波基,并且定义了与尺度函数和小波基相关的非均匀正交多分辨分析,最后给出了二维函数f（x,y）在非均匀正交Haar小波空间中的分解与重构公式。     

基于格子Boltzmann和POD方法的非定常流场重建

以二维圆柱雷诺数Re=100绕流为研究对象，在格子Boltzmann方法模拟非定常流动的基础上，利用本征正交分解(proper orthogonal decomposition, POD)算法获取二维圆柱绕流周期性稳定脱落阶段POD基函数及对应的系数，用以实现非定常流场的重建，并研究不同POD模态阶数对重建效果的影响。结果表明：前5阶POD模态占总能量的99%,可以准确地重构流场，流场重构误差最大绝对值为8×10^-4;随着模态阶数的增加，流场主要特征表达得越细致，且流场重建误差由大幅度降低，缓慢减低到趋于稳定几乎保持不变。     

凝固换热器凝固换热特性模拟分析

采集凝固热热泵系统为寒冷地区地表水等热能资源的开发利用提供了新思路,其关键设备凝固换热器的换热性能直接关系到热泵系统的供热运行效率.在介绍凝固换热器及其冬季换热工况的基础上,通过定义凝固当量换热系数比等量纲一参数,采用准稳态近似与拟合等方法,对紊流状况地表水凝固换热特性进行了模拟分析,建立了刮冰周期内平均凝固当量换热系数比的统计数学模型.结果表明:入口水温与管壁温度越低、管径与Re越小、管长越大,瞬时凝固当量换热系数比越高,而凝固换热器的平均凝固当量换热系数比在1～4变化.     

湍流模型在折流板换热器壳侧结构优化中的应用

研究不同湍流模型在换热器流场和传热计算中的适用性,分别采用Spalart-Allmaras湍流模型、标准k-ε湍流模型和可实现k-ε湍流模型计算换热器在不同入口速度下的出口温度、换热系数等参数.将3种湍流模型的CFD计算结果与Bell-Delaware理论计算值进行对比可知,Spalart-Allmaras湍流模型的换热器性能数值计算存在明显缺陷,可实现k-ε湍流模型的换热器CFD较其他两种湍流模型的更为适用.将适用性较好的可实现k-ε湍流模型进行CFD数值模拟,模拟结果表明挡切率为25%时换热器性能最佳.     

锥纹管换热器流体流动与传热性能实验研究

波纹换热管是一种具有特殊形状的双面强化传热管,传热效率高,轴向变形补偿能力强,被广泛应用于工程实际中。锥纹管是在传统波纹管的基础上进行改进得到的新管型,具有优越的强化传热特性。针对锥纹管弓形折流板换热器的流动与传热特性进行实验研究,并将其与传统光滑管弓形折流板换热器进行对比,实验结果表明：在所测试流量范围内,当管程介质为水,壳程介质分别为水和32#液压油时,与光滑管换热器相比,锥纹管换热器的总传热系数分别提高了5%~40%和5%~20%,管程压力降升高了20%~70%,壳程压力降降低了10%。同时进行了相关数值模拟计算,并基于实验和模拟结果,对以水为介质的锥纹管换热器的管壳程传热准则关联式进行了拟合,数值验算结果表明,关联式可以满足工程设计的精度要求。     

锥纹管换热器流体流动与传热性能实验研究

波纹换热管是一种具有特殊形状的双面强化传热管,传热效率高,轴向变形补偿能力强,被广泛应用于工程实际中。锥纹管是在传统波纹管的基础上进行改进得到的新管型,具有优越的强化传热特性。针对锥纹管弓形折流板换热器的流动与传热特性进行实验研究,并将其与传统光滑管弓形折流板换热器进行对比,实验结果表明：在所测试流量范围内,当管程介质为水,壳程介质分别为水和32#液压油时,与光滑管换热器相比,锥纹管换热器的总传热系数分别提高了5%~40%和5%~20%,管程压力降升高了20%~70%,壳程压力降降低了10%。同时进行了相关数值模拟计算,并基于实验和模拟结果,对以水为介质的锥纹管换热器的管壳程传热准则关联式进行了拟合,数值验算结果表明,关联式可以满足工程设计的精度要求。     

无管板列管式换热器的结构及传热研究

针对列管式换热器壳程传热膜系数较低、高流速时易产生流体诱发振动、管板与换热管之间存在间隙腐蚀的实际情况,提出了一种无管板列管式换热器结构.该结构提高了壳程的传热膜系数,解决了间隙腐蚀的问题,减小了壳程流体的流动阻力和流体诱发振动,为列管式换热器的结构改造提供了好的形式.     

换热器螺旋管冷凝换热的数值模拟与实验研究

为了研究换热器螺旋管的冷凝传热性能,对R22制冷剂使用VOF模型在螺旋直径为300mm、螺距为19.52mm、管道直径为9.52mm的换热器螺旋管进行了数值模拟,分析了换热器螺旋管的流场分布特性,研究了流体流速和饱和温度对螺旋管内换热性能的影响。通过实验研究了不同参数对螺旋管内换热性能的影响,对数值模拟的准确性进行验证。实验结果表明,在不同流体流速时冷凝换热系数的模拟数据与实验数据之间的相对误差为3%-11%,在不同饱和温度时冷凝换热系数的模拟数据与实验数据之间的相对误差为3%-8%,说明数值模拟方法和结果是合理的。该研究为螺旋管换热器的设计优化以及空调热水器一体机的节能损耗给予了一些参考。     

The entransy dissipation minimization principle under given heat duty and heat transfer area conditions

Under given heat duty and heat transfer area conditions, the equipartition of the entransy dissipation (EoED) principle, the equipartition of the temperature difference (EoTD) principle, and the equipartition of the heat flux (EoHF) principle are applied to the optimization design of a heat exchanger with a variable heat transfer coefficient. The results show that the difference between the results obtained using the EoED and EoTD principles is very small, far smaller than that between the results obtained using the EoED and EoHF principles. The correct entransy dissipation minimization principle is chosen to optimize the parameters in the hot and cold fluids in a two-fluid heat exchanger, under given heat duty and heat transfer area conditions. The results indicate that the proper choice of the two alternative fluids has an important role in the successful application of the entransy dissipation minimization principle. The fluid that could improve the total heat transfer coefficient should be chosen, or the fluid that makes the temperature profiles of the hot and cold fluids parallel and decreases the temperature difference between the hot and cold fluids after optimization simultaneously, could be the proper one.     

不同倾斜角新型板式换热器特性及场协同原理分析

通过三维CFD数值模拟软件ANSYS-CFX模拟分析一种新型波纹板式换热器——复合人字形板式换热器,分析其倾斜角β为20°～70°的传热和阻力特性,并对不同倾斜角的复合人字形板片进行场协同理论分析。数值计算结果表明:在β=60°时复合人字形板式换热器比普通人字形板式换热器的摩擦阻力系数低8%左右,综合性能提高25%左右;β=20°时速度场、温度场和压力场协同最好。     

土壤源热泵地下U型埋管换热器传热模拟研究

介绍了几种常见土壤源热泵U型埋管换热器传热模型,建立了单U型垂直埋管换热器的非稳态传热模型.采用隐式有限差分法对冬季运行工况进行数值模拟,得到了U型埋管出口水温的变化规律及土壤温度场的分布规律.