基于开源求解工具的超临界二氧化碳印刷电路板式换热器流动传热特性数值研究

超临界二氧化碳作为工质的布雷顿循环中印刷电路板式微通道换热器(printed circuit heat exchanger, PCHE)作为连接主压缩机、透平等涡轮机械的关键设备之一,其换热能力是否满足系统设计的工况要求,以及其运行的稳定性,对于整个发电循环的效率和安全性都有着重要的影响。采用流体-固体强耦合传热模型,对换热器内部超临界二氧化碳的流动和流固耦合传热过程进行数值分析。在稳定运行工况下,采用努塞尔数衡量换热器内部的换热不均匀性,得出沿着冷、热通道对流传热强度变化等指标。在非稳态工况下,不仅研究了流动传热特性,还研究了由于PCHE内部换热能力不均匀分布可能导致的部分二氧化碳工质偏离超临界态的风险区域,为超临界二氧化碳发电循环的设计优化和实验验证提供了参考。基于开源的流体力学及传热求解软件,通过测试开源求解工具对于PCHE流动传热特性分析的能力,为基于开源求解工具开发PCHE及超临界二氧化碳发电循环的数值分析专用工具平台,建立针对超临界二氧化碳发电设施的数字孪生系统奠定基础。     

翅片阵列对翼面的冲击换热影响数值模拟研究

曲面冲击换热在飞机机翼前缘防除冰上有着广泛应用.为了进一步提高翼型前缘防除冰性能，采用数值模拟依次探索了不同翅片阵列在平板和曲面上的冲击换热特性.平板模型的翅片阵列包含8片、12片直翅片以及12片弯翅片3种结构；曲面模型包括8片短翅片和8片长翅片两种阵列结构.仿真结果表明：在平板和翼型曲面上添加翅片阵列可以显著提高模型在不同雷诺数下的射流冲击换热性能；与无翅片相比，翼面上的换热效果整体提升高达4%～10%,其中在驻点位置处的强化换热效果最为明显.深入分析发现，引入的翅片阵列一方面增大了强化换热面积，同时也改变了冲击射流流动结构，从而增强了射流冲击换热的效果.     

高超声速飞行器布雷顿循环PCHE中CO2换热特性数值研究

基于高超声速飞行器布雷顿循环中印刷电路板换热器(PCHE)的应用,对PCHE通道中的超临界换热进行了数值研究.阐述了热侧运行参数和冷侧运行参数对换热的影响机制.考察了热侧流体温度、流线和湍动能的分布情况.评价了热侧■流、壁面■流和通道综合换热系数,建立了热侧换热关联式.计算结果表明：热侧压力提高、热侧进口温度下降、冷侧进口温度减小,均导致热侧换热增强.局部高湍动能是强化换热的原因.提高热侧参数可使通道的■耗散性更小.     

水翼瞬态启动非定常流动数值模拟

为了解翼型以不同加速度启动时的流动特性,采用基于动网格方法的有限体积法对翼型瞬态启动引起的二维不可压缩非定常流动进行了数值计算,并结合网格局部重构的方法保证翼型运动时周围的网格质量.计算了启动加速度分别为50 mm/s2和100 mm/s2时,绕翼型非定常流动的结构及其演化过程,并分析了加速度大小对流动结构的影响.结果表明,翼型在加速运动和匀速运动过程中均形成了复杂的旋涡结构;大加速度下非定常流场中的旋涡运动、扩散和耗散速度明显比小加速度下的要慢,并且大加速度下旋涡结构更紧凑,运动更为强烈.     

海上湿空气翼型气动性能分析

为显示湿空气条件下的翼型特性及提供可选择的求解方法,采用计算流体力学方法研究湿空气条件下翼型周围流场及气动特性。将湿空气看作干空气和小液滴的混合气体,使用两相离散模型求解Re=2×106和Re=3×106下不可压缩空气流场翼型特性。对比了两种攻角下不同湿度空气和干空气的升阻力系数,结果显示湿空气对翼型气动性能有影响。湿空气升力系数较干空气要小,阻力系数较干空气大。升力系数随湿度增大减小,阻力系数随湿度增大而增大。通过流场及边界层流动分析发现,湿气促使流动提前分离。     

翼型翅片对管片散热器散热性能的影响

针对恶劣环境下工程车辆散热能力不足的问题,提出一种翼型翅片的管片散热器改善方案。首先,采用Fluent 15.0对散热器原始模型的单元体进行数值建模分析,并与试验数据对比验证仿真的可行性;其次,采用相同仿真条件对翼型翅片散热器进行仿真分析;然后分别研究翼型方案、类型和位置对压力损失和换热系数的影响;最后,通过田口法设计正交试验,寻找最优的翼型翅片配置组合。结果表明:仿真结果与试验数据吻合较好;在进气口速度为12 m/s时,翼型翅片比原始翅片综合评价因子提高5.73%;翼型种类和翼型方案对压力损失与换热系数的影响较大,翼型的移动位置对压力损失和换热系数几乎没有影响;采用方案2、NACA0015翼型和左移2 mm的配置组合时的综合评价因子最大,散热性能改善最明显。研究结果为翼型翅片在工程车辆管片散热器性能改善方面提供了经验认知。     

水平轴风力机专用翼型的数值模拟研究

根据当前计算流体动力学（CFD）数值模拟的研究,对风力机专用翼型S816的模型进行数值模拟,主要针对翼型的升阻特性、失速、流动分离等方面内容,研究了翼型升阻力系数随迎角的变化、翼型在非定常、定常数值模拟结果对比等因素对翼型气动特性的影响,并总结了相关规律。     

基于大涡模拟方法仿生翼型气动特性数值模拟

采用大涡模拟方法,研究在翼型不同位置添加脊状结构对翼型流场及气动性能的影响。讨论了添加脊状结构后翼型流场的流动特性和涡结构特性。研究发现:(1)在α=6°攻角条件下,无论riblet-Q翼型模型或riblet-H翼型模型均可改善边界层分离情况,但riblet-H翼型模型表现出更好的控制效果;(2)后段布置脊状结构能够有效推迟翼型边界层分离点,抑制边界层大涡形成,控制分离涡的发展和脱落;(3)riblet-H翼型模型使翼型的升力系数增大,同时也使其阻力系数降低,升阻比较原翼型有了较大提高。     

基于LES方法仿生翼型气动特性数值模拟

采用大涡模拟方法,研究在翼型不同位置添加脊状结构对翼型流场及气动性能的影响,讨论了添加脊状结构后翼型流场的流动特性和涡结构特性。研究发现：1)在α=6°攻角条件下,无论riblet-Q翼型模型或riblet-H翼型模型均可改善边界层分离情况,但riblet- H翼型模型表现出更好的控制效果。2）后段布置脊状结构能够有效推迟翼型边界层分离点,抑制边界层大涡形成,控制分离涡的发展和脱落。3）riblet-H翼型模型使翼型的升力系数增大,同时也使其阻力系数降低,升阻比较原翼型有了较大提高。     

基于流固耦合的柔性翼型动态失速特性研究

为了研究柔性翼型在动态失速下的气动性能及其优势,从流动控制的角度,采用流固耦合数值模拟方法研究了具有被动大变形能力的柔性翼型动态失速特性并与传统的刚性翼型进行了比较.首先,对柔性翼型在不同减缩频率下的气动特性进行了研究,得到了减缩频率对柔性翼型气动特性的影响规律,同时定量比较了刚性翼型和柔性翼型的升阻力系数随攻角、减缩频率的变化规律.其次,从俯仰震荡翼型的涡量场、流线以及结构响应等角度揭示了柔性翼型在动态失速现象中依旧具有良好气动特性的关键物理机制.研究结果表明,在高减缩频率下,柔性翼型具有低阻力的特征,气动性能显著优于刚性;柔性翼型的被动变形可以抑制翼型表面涡旋的生成从而优化气动特性.     

热管余热回收装置传热特性的模拟研究

为分析热管余热回收装置的运行特性,利用计算流体力学软件对装置进行了数值模拟,对热管换热器在不同结构形式(改变管排数、改变管间距)和不同入口参数(改变烟气的进口速度)时的换热过程进行模拟,获得不同情况下预热空气的温度,得出余热回收装置的最佳运行条件.模拟结果表明4排热管布置时换热效果优于5排,烟气进口速度增大时换热效果也会增强.     

新型重力热管换热器传热性能的实验研究

基于常规重力热管换热器难以安装翅片结构以强化管外换热,提出一种新型结构形式的重力热管换热器,该热管由一些并排的矩形通道而不是通常的圆管组成。并建立实验测试平台,进行一系列对比实验,重点分析加热功率、工质充液率、倾角及冷凝段风速对其运行热阻的影响。研究结果表明:加热功率对热管的运行性能有重要影响;当工质充液率约为20%时,热管换热器具有最小运行热阻;在最佳充液率为20%和加热功率为360 W时,运行热阻随倾角的增加有减小趋势,但当加热功率较大时,倾角对热管换热器的运行热阻影响不大;随着冷凝端风速的增加,热管换热器的运行热阻不断减小。     

Poleward heat transport by the atmospheric heat engine

The atmospheric heat transport on Earth from the Equator to the poles is largely carried out by the mid-latitude storms. However, there is no satisfactory theory to describe this fundamental feature of the Earth's climate. Previous studies have characterized the poleward heat transport as a diffusion by eddies of specified horizontal length and velocity scales, but there is little agreement as to what those scales should be. Here we propose instead to regard the baroclinic zone--the zone of strong temperature gradients and active eddies--as a heat engine which generates eddy kinetic energy by transporting heat from a warmer to a colder region. This view leads to a new velocity scale, which we have tested along with previously proposed length and velocity scales, using numerical climate simulations in which the eddy properties have been varied by changing forcing and boundary conditions. The experiments show that the eddy velocity varies in accordance with the new scale, while the size of the eddies varies with the well-known Rhines beta-scale. Our results not only give new insight into atmospheric eddy heat transport, but also allow simple estimates of the intensities of mid-latitude storms, which have hitherto only been possible with expensive general circulation models.     

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.     

新型重力热管换热器传热特性的数值模拟

提出新型结构形式的重力热管换热器,通过合理简化,建立单根竖直管道的稳态传热物理模型,分别对冷凝段、绝热段和蒸发段建立相应的稳态传热数学模型,应用等热流密度边界条件并通过工程方程求解器(EES)进行了数值计算.计算结果表明:运行热阻计算值总体波动不大,计算结果不能很好地反应充液率对运行热阻的影响;液膜厚度随加热功率增大而增加;液池高度随充液率的增加而增加;充液率较小时,较低加热功率对应的液池高度大于较高加热功率对应的液池高度,充液率较大时,小加热功率对应的液池高度反而低于大加热功率对应的液池高度.     

地源热泵埋管换热器传热模型的研究进展

分析了国内外地源热泵埋管换热器的传热模型,指出了目前尚存在的问题,提出建立考虑地下水运动影响的更完善的传热模型,这对地源热泵技术在我国南方富水土壤地区的有效推广和应用有着极为重要的意义.     

采集凝固热热泵系统连续取热的参数条件分析

针对环境水源现状,提出采集凝固热热泵系统为建筑物供热的新思路.凝固换热器是该系统的关键设备之一,在介绍凝固换热器原理的基础上,对连续提取凝固热的参数条件及流动阻力问题进行了分析,所得结论将为该热泵系统的研究提供有益参考.     

管式换热器在混合气体余热回收中的传热优化

为了研究高温混合气体在管式换热器中的传热特性,基于k-ε湍流模型、传热理论和Maxwell-Stefan扩散理论建立三维稳态数值模型,分析物质扩散条件对换热器温度场分布的影响。对换热器进行参数化分析,如冷热流体入口温度、速度,并从?的角度探究换热器的热传递效率。研究发现,物质扩散改变了混合气体中各组分的分布,使在传热中占主导地位的氢气发生回流扩散,反复换热,消耗高温流体热量,降低了换热器的传热性能,与未考虑物质扩散因素相比,等效传热系数从16.564 W/(m~2·K)降为15.955 W/(m~2·K),且在一定的工况参数范围内,换热器的效率在10%～30%之间,冷却效果明显。     

地源热泵中U型埋管传热过程的数值模拟

以钻孔壁为界将U型埋管的换热区域划分为钻孔内外两部分,并分别采用稳态与非稳态传热来分析求解,两区域模型间通过钻孔壁温耦合连接,以构成完整的埋管传热模型.对于钻孔以外部分,采用变热流圆柱源模型来求解钻孔瞬时壁温.钻孔以内部分,在考虑埋管流体温度的沿程变化及U型管2支间热干扰的基础上,基于能量平衡建立了钻孔内U型埋管的稳态传热模型.用所建U型埋管传热模型对地源热泵系统的运行特性进行了动态模拟,得出了埋管出口流体温度、钻孔瞬时壁温、单位埋管吸热量及热泵COP随运行时间的变化规律.所建埋管模型可为地源热泵系统的动态模拟、优化设计及其改进提供参考.