肋角度对矩形带肋通道蒸汽流动和换热特性的影响

在带肋单通道蒸汽强化换热试验研究的基础上,采用SSG雷诺应力湍流模型,求解了三维定常雷诺平均Navier-Stokes方程,对30°、45°、60°和90°4种带肋通道进行了蒸汽流动的数值计算,同时研究了雷诺数对矩形带肋通道中冷却气体的流动和传热特性的影响,并比较分析了不同肋角度下带肋通道的流动和传热特性。结果表明:斜置肋片能有效提高带肋通道的换热效果,同时也将带来很大的流动阻力;与90°带肋通道相比,60°、45°和30°带肋通道的热力系数分别增加了约29.3%、24.6%和20.9%,就综合热力性能来说,60°带肋通道是最好的结构形式。     

纵向涡强化通道内换热的数值研究及机理分析

用三维数值模拟方法研究了纵向涡发生器用于层流矩形通道的流动换热特征.研究了Re(为800~3 000)、涡发生器的冲角(分别为15°、30°、45°、60°、90°)、纵向涡发生器的形状对通道平均Nu和平均阻力系数的影响,并利用场协同原理进行了分析.结果发现:纵向涡发生器产生的二次流使全场速度和温度梯度之间的平均夹角减小,换热得到强化;纵向涡能改善包括涡发生器附近区域以及下游广阔区域的场协同性,而横向涡只可以改善涡发生器附近区域的场协同性,所以纵向涡可以强化整体换热,而横向涡只可以强化局部换热;对于光通道,协同角随Re增大而增大,但对于有纵向涡发生器的通道,协同角随着Re增大而减小.同时,在面积相同的条件下三角形小翼优于矩形小翼.     

纵向涡发生器对矩形窄通道内对流换热的影响

针对反应堆堆芯板状燃料元件冷却通道内的强化传热问题,对带有周期性分布纵向涡发生器(LVGs)的水平矩形窄通道内的流动与换热进行了实验研究,得出了雷诺数在3×103~2×104的范围内LVGs安装形式(一侧带LVGs或两侧带LVGs)对水的流动与换热特性的影响规律.结果表明:带有周期性分布LVGs通道的平均努谢尔数比光通道的高25%~35%,但阻力系数也比光通道的高.在3种不同比较准则(相同质量流量、相同压降及相同泵功)下,两侧带同向LVGs通道的综合性能好于单侧带有LVGs通道的综合性能.LVGs能够破坏热边界层,带走更多的热量,从而降低板状燃料元件的温度和堆芯的烧毁率.     

不同冷却工况下90°带肋通道中蒸汽的强化换热特性研究

在蒸汽强化换热试验研究的基础上,采用SSG雷诺应力模型,通过数值方法求解了三维定常雷诺时均Navier-Stokes方程,同时系统地分析了雷诺数、温度和压力对蒸汽在90°矩形带肋通道中流动和换热的影响.结果表明:温度和压力的变化强烈地影响着带肋通道中蒸汽的强化换热特性,蒸汽的摩擦因子和换热系数随着温度的升高而减小,随着压力的升高而增大,在适中的Re、较低的蒸汽温度和中等压力下,蒸汽流动可以获得最佳的强化换热性能;蒸汽和空气的换热系数比与温度和压力有关,但与Re无关.     

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.     

纵向涡强化竖直平板自然对流换热的数值模拟

利用纵向涡发生器强化换热是一种有效的无源强化方式.文中运用PHEONICS计算软件对纵向涡发生器强化竖直平板自然对流换热进行了数值模拟,模拟结果与实验结果吻合较好.在此基础上,对纵向涡发生器的几何因素及在竖直平板上的布置方式进行了模拟研究.结果表明:采取多排布置时,纵向间距d1会影响换热,当d1为35mm时平均换热系数达到一个最大值;在其它几何条件相同的情况下,错列布置方式的整体换热效果优于顺列布置的情况;对于底边为20mm的纵向涡发生器采取错列布置时,换热效果是翼高和横向间距d2两种因素的叠加,最佳翼高和横向间距分别是20和90mm.     

V形肋通道内蒸汽冷却的传热及流动特性

在雷诺数处于(6.0~17.7)×103的条件下,利用红外热像仪测量了蒸汽冷却、不同角度V形肋通道换热表面的局部努赛尔数分布,利用计算流体动力学软件对其进行了数值模拟,分析了不同角度V形肋通道内蒸汽的传热特性及压力损失,并与相近工况下的空气冷却结果进行对比.结果表明:采用V形肋通道可以有效提高通道的强化换热特性;随着V形肋角度的减小,冷却性能不断提高,45°的V形肋通道的换热性能最佳;V形肋可使换热通道内部流体形成二次流,通道核心区的低温流体随之补充,使得通道中间靠近换热面的热边界层减薄;在相同雷诺数的条件下,蒸汽冷却的传热性能明显高于空气冷却,但两者的压力损失十分接近.     

带60°肋和出流孔的矩形通道端壁换热特性研究

根据相似理论放大的模型,采用热色液晶瞬态测量技术研究带有60°肋和单排溢流孔的内流通道的换热特性,分析主流雷诺数和出流比对壁面对流换热的影响规律.矩形内流通道进口雷诺数变化范围是20 000～80 000,通道出流比变化范围是0～0.6.实验结果表明:出流作用使出流孔附近区域的换热得到了强化;主流雷诺数一定时,随出流比的提高,壁面平均换热系数和增强系数都先略微增大后逐渐减小;出流比一定时,随雷诺数的增加,端壁平均换热系数基本呈线性增加,而换热增强系数则减小.     

涡轮叶片厚壁带肋通道冷却性能的实验研究

基于10种不同结构空气冷却厚壁带肋通道的实验数据,分析了宽高比(0.25～4)、肋角(30°～90°)和雷诺数(10 000～60 000)对带肋通道流动及传热性能的综合影响,拟合得到了通道摩擦系数和壁面平均努塞尔数关于宽高比、肋角和进口雷诺数的经验关联式。结果表明:厚壁带肋通道摩擦系数随着宽高比和肋角的增大均大致呈现出升高的变化趋势;平均努塞尔数和综合热力系数随肋角的增大均表现为先增大后减小的分布趋势,随宽高比的增大表现为先增大后减小、再增大再减小的分布趋势。不同雷诺数时,壁面平均努塞尔数的最大值都大致出现在宽高比为1.75～2.75、肋角为55°～65°之间;最高的综合热力系数出现在宽高比约为0.75和2、肋角约为60°时。平均努塞尔数关联式的平均拟合偏差为6.96%,摩擦系数关联式的平均拟合偏差为12.75%。本文研究结果可为未来重型燃机叶片冷却结构设计提供参考。     

凹坑-树状分叉微细通道换热特性的数值研究

通过求解三维雷诺时均N-S方程和SSG雷诺应力模型,数值研究了透平叶片内部树状分叉微细通道中的流动和换热特性,着重分析了壁面凹坑结构对通道强化换热特性的影响。研究表明:在本文研究结构下,通道分叉引起的纵向涡二次流和凹坑引起的分离涡二次流是通道换热得到强化的主要原因。蒸汽和空气在通道中的二次流涡旋流动特性相似,但热物性的差异使得蒸汽的平均努塞尔数比空气的高约48%～67%。在不同的凹坑流向间距下,蒸汽冷却的摩擦系数比均随着雷诺数的增加先减小后增大,努塞尔数比和强化换热因子则均随着雷诺数的增加而减小。当凹坑流向间距为3时,通道中蒸汽冷却的强化换热性能最佳。     

纵向涡强化换热的数值研究及场协同原理分析

用三维数值模拟的方法研究了纵向涡发生器用于管-翅表面的流动换热特征.计算了Re(为800~2 000)、三角形小翼型涡发生器的冲角(分别为30°和45°)对管-翅表面平均Nu、压降的影响,并利用场协同原理进行了分析.结果发现纵向涡强化管-翅表面换热的内在机理可以用场协同原理进行解释,即纵向涡发生器使全场速度和温度梯度之间的平均夹角减小.另外计算还发现:三角形小翼对顺排换热器的强化换热效果好于对叉排换热器的强化;冲角为45°的三角形小翼强化换热效果好于冲角为30°的三角形小翼;冲角为45°的三角形小翼导致空气压降提高,而冲角为30°的三角形小翼则可使压降有所减小.无论传热管是叉排还是顺排,冲角为30°的三角形小翼比冲角为45°的三角形小翼在消耗单位泵功条件下带来的强化换热效果更大.     

矩形通道内纵向强化传热与阻力损失的数值研究

本文以空气为介质(Pr=0.701),通过数值模拟的方法在Re=200～1400的范围内,对带有纵向涡发生器的矩形通道的换热及阻力损失进行了模拟分析,并比较了矩形通道、布置一排纵向涡发生器的通道、布置二排纵向涡发生器的通道内的传热与阻力。计算结果表明,纵向涡能有效的起到强化换热的效果,二排涡的效果要优于单排,在较小Re下,涡产生器引入的阻力损失要大于带来的换热强化效果。     

上游横向间断肋布置方式对气膜冷却性能的影响

为了采用气膜冷却来保护燃气轮机叶片免受高温侵蚀,针对进一步提高气膜冷却效率、减少冷却空气消耗量的需求,提出了带有上游间断肋的气膜冷却结构。采用k-ε湍流模型数值研究了带有上游横向肋结构的气膜冷却性能,分析了横向无间断肋、两侧间断肋、间断数段肋和中间间断肋这4种上游不同横向肋布置方式对气膜冷却流动的影响,比较了4种结构的气膜冷却效率和换热系数。结果表明:横向肋对下游冷气的卷吸能力与肋片长度有关,与肋片的布置方式无关;不同肋片布置方式会产生不同的涡结构,即中心间断肋会诱导主流产生一个与肾形涡旋转方向相反的涡对,从而增加冷却射流的展向扩散,有利于提高下游气膜冷却性能,而两端间断肋会诱导主流产生一个与肾形涡旋转方向相同的涡对,该涡对会进一步抬离冷却射流,降低下游气膜冷却性能;在气膜孔上游布置中心间断肋能提供最高的展向平均绝热气膜冷却效率和实际热降值。     

汽车排烟余热回收强化换热管的数值模拟与分析

对汽车排烟余热回收装置的双斜向流线型内肋换热管进行了数值模拟研究,主要分析了内肋的结构特性参数对换热性能的影响。结果表明,流线型内肋在肋长、肋倾角、肋高度和肋间距上存在最优值,分别为38mm,45°,2.5mm和60mm。当Re=1.2×104～5×104时,与同条件下普通圆管相比,努塞尔数Nu可增加54.5%～90.7%,摩擦阻力系数f增加157.6%～204.2%;同时,双斜向流线型内肋管内场协同角从90°减小到80°,换热效果显著提升。运用场协同理论分析,发现管内场协同角在每一个内肋附近都出现骤减现象,并体现其为换热效果增强的主要原因。     

旋转状态下有转角带肋U形通道内换热实验研究

实验研究了涡轮叶片带内肋U形通道在旋转状态下有转角时的前缘、后缘及两侧面局部换热系数分布,以及其和无转角时的比较.实验表明,在旋转状态下,小角度转角的旋转带肋通道的换热和无转角时相比,趋势上没有太大的变化,但加强和减弱了某些地方的局部换热而使四个面的换热趋向一致,只是效果不明显;从整体上看,转角减弱了通道的平均换热,浮升力因素的影响基本上减弱了换热.     

纵向涡旋发生元LVG强化换热的实验研究

对直角三角翼纵向涡旋发生元LVG（Longitudinal Vortex Generator)的强化换热进行了研究。结果表明,在一定的雷诺数范围内,直角三角翼纵向涡旋发生元的冲击角,翼高、翼宽及宽高比等几何参数是影响传热强化的主要因素,存在最佳冲击角,宽高比只是一个形状因子,翼高或翼宽的变化会影响换热的效果,将LVG与扰流柱和矩形低肋换热表面的性能作了对比性实验,在其他条件相同的情况下,LVG强化换热的效果优于扰流柱和矩形低肋。     

出流比及旋转数对回转通道流动换热的影响

为深入了解涡轮动叶内通道在旋转状态下的换热分布以及出口流量变化对通道壁面换热的影响,采用数值模拟方法研究了旋转带肋回转通道的流动特性,揭示了旋转数、出口流量分配比例对内通道换热的影响机理。计算模型包含3个通道和2个转弯段,通道进口雷诺数为17 000,旋转数为0~0.09,3种工况下出口1、2、3与入口的质量流量比分别为27%、49%、24%(三个出口均有出流),27%、0%、73%(出口2不出流),27%、73%、0%(出口3不出流)。结果表明:静止内通道的出流比变化仅对第3通道的沿程压力系数Cp和前、后缘面努赛尔数Nu分布有影响;旋转内通道的出流比变化会影响Cp的大小,旋转哥氏力使通道前、后缘面的Nu分布不同;离心力使径向出流通道的Cp随旋转数的增加而缓慢增大,径向入流通道的Cp随旋转数增大而迅速减小;肋扰流涡使沿程展向平均Nu沿流向呈多波峰状分布;转弯回流涡使得转弯下游通道的Nu不对称分布。     

旋转带肋回转通道流动换热数值模拟

为进一步了解涡轮动叶旋转内冷通道的流动换热规律,选取动叶内通道的相似放大模型进行实验和数值模拟研究。通道进口雷诺数为17 000,3个出口的流量分配比为1∶2∶1,旋转半径与水力直径比为46.4,旋转数分别为0和0.09。静止实验测量了沿程静压系数和努赛尔数(Nu)分布,三维数值模拟了旋转通道内部涡结构对流动换热的影响。结果表明:旋转造成通道涡偏移,改变了速度场分布,使哥氏力指向的壁面附近流速增加;旋转离心力使径向出流沿程静压系数逐渐增加,径向入流沿程静压系数迅速降低;肋扰流涡使沿程展向平均Nu呈多波峰状分布;转弯回流涡使得转弯下游通道的Nu不对称分布;旋转促使内通道的流体偏向哥氏力指向的壁面,增加了径向出流压力面和径向入流吸力面的Nu。     

叶片全表面换热系数和冷却效率的实验测量

采用瞬态液晶技术测量了涡轮导叶叶片全表面的换热系数和冷却效率.实验叶片前缘区域有5排复合角度圆柱形气膜孔,压力面有10排圆柱形孔,吸力面有2排圆柱形孔和2排扇形孔,气膜孔排由2个供气腔供气.实验叶栅由3个直叶片构成,叶栅进口雷诺数是1.1×105,前腔二次流与主流的质量流量比为5.87%,后腔为1.06%.实验测量获得了叶片表面换热系数和冷却效率的二维分布云图,结果表明:气膜孔下游的换热系数和冷却效率都较高;扇形孔下游的冷却效率比圆柱形孔的高;受叶栅通道涡的影响,吸力面气膜覆盖区域收缩,压力面气膜覆盖区域扩张;吸力面换热系数分布受气流分离和通道涡影响.     

梯形微通道气液分相强化换热实验研究

针对微通道换热器强化沸腾换热,提出分段式梯形换热结构,该结构可实现气泡在表面张力驱动下间断性流向通道两侧,保持中间加热区为液体,实现气液分相流动,进而强化沸腾换热性能。采用无水乙醇为工质,实验研究直肋和梯形结构铜基表面在热流密度为160~320 kW/m²和工质流量为0.4~2.0 g/s时壁温、换热系数等参数变化规律。结果表明：在饱和沸腾区,梯形分相结构可有效实现气液分离,进而降低壁面温度,大幅提高换热系数;如在25 mm位置处,5段结构换热系数比平行结构换热系数提高了60.4%;在单相加热区,换热面积为主要影响因素,直肋结构换热系数略大,但换热系数比饱和沸腾时小一个数量级。平均换热系数分析得到5段结构微通道比平行结构微通道提高了53.8%,可见分段式结构可实现气液分相流动,有效提高沸腾换热的平均换热系数,增强整体换热能力。