不同相位差正弦型波纹通道内流动与换热特性的数值研究

研究了流体在不同相位差的正弦型波纹通道内周期性充分发展的层流流动特征及强化换热特性,利用数值模拟方法探讨了波纹上、下板相位差对流动与换热的影响.计算结果表明:对于不同相位差的通道在当量直径与入口质量流量分别相同的条件下,流动与换热特性与Re的范围有关,上、下波纹板相位差为0°与180°时通道的阻力较高,相位差为30°时通道的阻力最低,同时也以相位差为0°时通道表面的换热速率最高,相位差为30°时通道表面的换热速率相对较低,即表面换热性能的改善要以压力损失的增大为代价.     

脉动流下贝塞尔曲线型波纹壁通道流动传热特性研究

为探究波纹壁结构和脉动流耦合作用下通道内流动强化换热的时空效应,基于贝塞尔曲线线型多变、灵活、易控制的优势,设计出3种壁面型线的波纹壁通道,并对比分析了3种波纹壁通道在不同流动及脉动参数下的流动换热特性以及设计因素的作用机理。研究结果表明：湍流状态下(雷诺数为5 000、10 000和20 000),迎流面积最小的模型2通道流动阻力最小,同时具有凹陷和凸起结构的模型4通道强化换热效果最佳;随脉动频率(2～20 Hz)的增加,3种模型通道的综合热性能先增再减,而随着脉动振幅(0.1～0.9)的增加,3种模型通道的综合热性能先增加再小幅度减小;在脉动流和壁面结构的共同作用下,热边界层的发展在结构单元尺度范围内被进一步破坏,高温工质区域沿流向间断分布。脉动流下波纹壁通道内流体扰动的时空耦合效应显著提升了通道综合热性能,为解决狭窄通道内部过热问题提供有效的途径。     

新型内翅式氮气换热器对流换热性能研究

通过实验的方法研究了一种新型内翅式氮气换热器的对流换热和阻力特性,建立了所测Re范围内对流换热和阻力实验关联式,并且在相同质量流量、相同泵功率、相同阻力降的条件下比较了该翅片管与普通光管之间的传热效果.与类似的波纹管的换热效果进行了比较,结果表明,新型内翅式氮气换热器具有较好的换热效果,特别是在较低Re条件下,效果更加明显.     

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.     

空气在三角形波纹通道内湍流流动与换热的数值研究

采用数值模拟的方法,对流动与换热进入周期性充分发展段等壁温边界条件下三角形波纹通道内流体的流动与换热进行二维数值模拟分析,计算考察了雷诺数Re、间距比ε及波纹纵横比γ对流动与换热性能的影响。结果表明:Re数及波纹纵横比γ较小时,不会出现回流;在计算的Re范围内,随着Re的增加,平均努塞尔数Nu呈递增趋势,摩擦阻力系数f呈下降趋势;并拟合出通道不同几何因子下阻力系数f及表面换热特性数Nu随Re变化的关联式。通过对性能参数j/f的分析得出,采用小间距比ε或者小波纹纵横比γ均可以提高换热性能。     

蛇形管平行通道中高压气体的对流换热特性研究

在高温加压的条件下研究了膜式蛇形管平行通道换热器的对流换热特性,试验气体为N2,试验工质的压力为0.5～3MPa.提出了不同冲刷形式、不同压力下的具体换热系数计算方法,同时给出了典型冲刷形式的对流换热关联式及其适用条件.试验研究表明:冲刷形式对换热系数有很大影响;单通道与多通道的换热系数是面积加权平均的关系;在相同的换热条件下,膜式蛇形管平行通道换热器的换热系数高于蛇形管平行通道换热器;相同温度条件下随着压力的升高,换热系数升高,但升幅逐渐减小.     

非对称波纹通道内流动与传热的数值计算

以空气为介质,在雷诺数Re=50~1 100的范围内对非对称的三角形、正弦形和椭圆形波纹通道内稳态层流流动与换热进行数值模拟,分析了恒壁温条件下,Re、波纹板形状对流动与换热特性的影响,并拟合出了各通道内阻力系数f及表面换热特性数Nu随Re变化的关联式,同时对3种波纹通道的综合性能G进行了分析评价。结果表明,椭圆形通道的f最大;Re<500时三角形通道的f最小;在Re>300后椭圆形通道表面的Nu值最大;各通道的综合性能,以Re=900为界,在小Re时以正弦形通道性能最佳,椭圆通道的最差,大Re时椭圆通道的性能最佳。     

D型管内超临界CO2对流换热

D型管换热器应用于快速气冷堆超临界CO2循环中,对其对流换热特性研究显得尤为重要.通过计算流体力学软件FLUENT,对超临界CO2在竖直D型管中的对流换热进行了计算研究,并与相同当量直径的圆管进行比较.分析热流密度、质量流量、当量直径等参数对超临界CO2对流换热的影响.结果表明,冷却条件下,CO2流体主体达到临界温度前,局部换热系数达到最大值.CO2流量和通道当量直径的变化对传热具有较大影响,冷却水质量流量影响较弱.     

截面形状对微通道流动沸腾影响的数值研究

针对换流阀元件在工作时需要高效冷却的要求,采用全氟己烷类液体为工质的微通道相变冷却代替传统水冷系统,并对其在圆形、方形、三角形和梯形4种截面形状微通道内的流动沸腾特性进行了数值模拟,质量流量范围为0.000 1～0.002 kg/s,热流密度范围为50～500 kW/m~2。数值分析结果表明:通道内的锐角边会限制气泡的生长,加速气泡的融合、破碎;局部换热系数沿流动方向逐渐增大,相同当量直径下三角形通道局部换热系数最大,圆形次之,梯形最小;随着热流密度与质量流量增大,4种通道的平均换热系数均增大,当质量流量增大19倍时,换热系数增大0.11～0.32倍,压降增大5.62～8.98倍;当热流密度增大9倍时,换热系数增大0.16～0.20倍,压降增大1.08～1.53倍;三角形通道的性能因子最大,综合换热性能最佳。该研究可为换流阀微通道相变冷却系统的设计提供理论依据。     

螺旋管换热器同轴环形通道流动特性实验

对S/d0=2.0,S/d0=2.5和S/d0=3.0的同轴环形通道螺旋管换热器分别进行了流动特性及阻力特性的实验研究,并和圆形管道的理论值进行比较。得出流体流速、压力、流量及同轴环形通道的几何参数等对同轴环形通道流动特性的影响。结果表明:在环隙宽度S和螺旋管外径d0相同的条件下,随着雷诺数Re的增加,环形通道的进口阻力系数ξin、出口阻力系数ξout和总阻力系数ξz逐渐减小并逐渐趋于一定值;外圈环形通道的ξin、ξout、ξz均比中圈和内圈环形通道的大,但中圈和内圈环形通道的ξin、ξout、ξz相等;相同雷诺数条件下,S越小,流体在环形通道流动时,流体的进出口压力降ΔP就越大。     

方形小通道内高参数下煤油传热与阻力特性

对外边长为4.6 mm的方形小通道光滑管及底部带有不同强化表面的5根粗糙管试件在高热流密度、高流速、超临界压力条件下进行了煤油的传热、阻力、结焦特性的试验与分析研究,获得了煤油的传热、阻力与结焦特性及主要影响因素;分析了方形粗糙表面强化传热机理及不同粗糙度对煤油传热、阻力与结焦特性的影响,并与相同尺寸方光管的试验结果进行了比较.比较结果表明:5根粗糙管的传热系数为光管的1.4～1.9倍,阻力系数为1.3～3.8倍,2#粗糙管的综合效果最好;在相同条件下,粗糙管的平均壁温明显低于光管;增加管壁粗糙度不仅增强了煤油的换热能力,而且可明显提高结焦发生时的壁面热负荷,使结焦现象大为改善.研究结果对火箭发动机的热防护技术具有重要意义.     

微肋阵通道沸腾起始点实验研究

以去离子水为工质,在质量流速G=292.8~412.2 kg/(m²·s),入口温度T_in=50.6~81.5 °C,热流密度q"=10.1~87.1 W/cm²的条件下,对圆形、菱形和椭圆形微肋阵通道内沸腾起始点特性进行了实验研究。对微肋阵通道内单相对流传热和两相沸腾传热过程的分析结果表明,壁温和压降曲线的变化趋势均可作为沸腾起始点的判定依据。通过分析各实验参数对沸腾起始点热流密度的影响趋势,发现微肋阵通道内沸腾起始点热流密度随质量流速的增大而增大,但是随着入口温度的增大而减小;在相同工况条件下,圆形、菱形和椭圆形微肋阵通道沸腾起始点热流密度依次减小。     

高效翅柱复合型散热器的流动与散热性能研究

针对平板翅片式散热器存在的不足,提出了一种翅片间设有钉柱的翅柱复合型散热器.钉柱能够使通过该散热器的气流受到扰动,从而提高其散热性能.通过对2种散热器通道内的流动换热进行数值计算和实验验证,结果表明:在相同的风速下,翅柱式散热器表面的Nusselt数比板翅式散热器高30%～50%;在相同的泵送功率下,翅柱式散热器的收益因子比板翅式散热器约高20%.因此,在相同的工况下,翅柱式散热器具有更好的散热性能,并具有可靠性高、使用成本低的优点,在电力电子设备的冷却中具有较高的使用价值.     

错齿翅片的传热与阻力性能试验

对9种不同结构参数的错齿翅片进行传热和流动阻力性能试验,分析比较翅片的间距、高度和节距等结构参数对其传热因子和阻力性能的影响.同时,利用场协同原理揭示错齿翅片强化传热的机理,并采用单位面积泵功率的评价方法,比较9种翅片的强化传热效果.结果表明,错齿翅片的节距和长度对其热工性能影响最为显著.     

矩形通道内航空煤油流动换热数值研究

针对先进动力装置利用航空煤油实现再生冷却的现实需求,建立了矩形冷却通道流/固/热耦合的三维数值模型,分析了入口质量流量、压力、热流密度等工况条件对矩形通道内航空煤油流动传热特性参数的影响。结果表明：增大质量流量和减小热流密度都会提升航空煤油的换热能力;在一定压力范围内,压力对航空煤油换热的影响不明显,但随着压力的增加,煤油的换热能力变差;由于传热恶化的发生,上述工况对压力损失和摩擦阻力的影响较为复杂。     

微通道内纳米流体换热与压降特性

为研究微通道换热和压降特性的影响因素,在当量直径分别为0.923 1,1.333 3和2.000 0 mm的矩形微通道内,以0.1%和0.5%(体积分数)的Al2O3-H2O纳米流体为实验工质,进行无相变以及沸腾传热与流阻特性实验研究,分析雷诺数对努塞尔数和单相流动压降的影响。研究结果表明:增加纳米粒子体积分数对摩擦压降影响较小,而努塞尔数则得到较大提高;在2.0 mm宽槽道内,纳米流体的换热系数比水的换热系数高18%;而0.6 mm宽槽道的换热系数比2.0 mm宽槽道的换热系数提高了近2倍;随着槽道尺寸的减少,摩擦压降显著增大;当雷诺数为800时,0.6 mm和1.0 mm宽槽道摩擦压降分别是2.0 mm宽槽道摩擦压降的23.3倍和4.4倍;热流密度和质量流量增大都将导致摩擦压降增大。     

直接甲醇燃料电池双极板冷却通道的热设计

将单个直接甲醇燃料电池的固体骨架看成开口系统,燃料电池稳定运行时的热负荷由阳极反应、阴极反应和甲醇直接氧化反应产生的3部分热量组成,利用热力学原理将其计算.在双极板上设置平行的冷却通道,将电池电化学反应产生的热量及时排出,有利于燃料电池的稳定运行.根据燃料电池中燃料、氧化剂的流向和冷却通道内冷却水流向的不同,冷却水和壁面的换热分别在恒热流密度和恒壁温热边界条件下进行.计算了2种情况下冷却通道壁面的温度和换热系数.结果表明,前者的换热效果要比后者好,但是,后者保证了工作层面具有恒定的温度,更有利于直接甲醇燃料电池的稳定运行.     

新型开窗翅片板翅换热器热工性能试验

对9种不同结构参数的新型开窗翅片进行传热和流动阻力性能试验.在此基础上,给出传热因子和摩擦因子随雷诺数的变化曲线,并比较翅片间距和翅片长度等结构参数对其表面换热和阻力性能的影响.同时,利用单位传热面积泵功率和面积优化因子分析比较各翅片的综合强化传热效果.试验结果表明,新型开窗翅片的翅片间距对表面传热因子和阻力性能影响较为显著.     

动压浮离抛光盘结构化流道的液流特性

针对动压浮离抛光盘流场特性优化问题,提出了楔形、L型、抛物线型3种典型的结构化流道.建立了流场约束数学模型,利用Matlab对比分析了不同结构参数下结构化流道环境产生液体动压的能力,得到了浮力与膜厚关系曲线、压力分布曲线以及浮力与各结构参数的关系曲线.同时,运用Fluent对3种结构化流道环境的流场压强与速度分布进行了仿真.理论计算与仿真结果表明:抛物线形结构化流道产生浮力的能力最强,楔形结构化流道次之,L形结构化流道远落后于前两种;工件安装区域形成的流场速度稳定,有利于非接触式抛光加工.     

超临界压力下水在垂直加热管内传热特性的实验研究

采用均匀全周电加热方法，对内径为12mm的垂直上升管内水在超临界压力区中的传热特性进行了实验研究．分析了质量流速、热流密度以及压力对传热特性的影响，发现由于超临界压力下边界层内流体物性的剧烈变化，使拟临界温度附近的传热得到显著强化，传热强化的程度随质量流速的增加而提高，随壁面热流密度和压力的增大而降低．根据实验数据，给出了超临界压力下水在垂直加热管内对流换热的经验关联式，其平均相对误差为11．8％．