矩形通道中涡流发生器换热性能的实验研究与模拟

通过换热实验和CFD模拟,在Re=150~1,200范围内对布置有斜截式半椭圆柱型涡流发生器的矩形换热通道内的流动和换热特性进行研究,并对其强化换热机理进行了分析.结果表明,布置有涡流发生器的换热通道较光滑通道Nu增加,压降增大,并且强化效果随Re增大而增强.在涡流发生器布置处产生了纵向涡,使截面涡量值大幅增加,从而强化了换热过程.     

矩形涡流发生器结构参数对圆形换热管传热特性的影响

为了提高圆形换热管的换热效率,采用SST(shear-stress transport)k-ω湍流模型(k为湍动能,ω为耗散率),对内置矩形涡流发生器的圆形换热管进行了数值模拟研究,分析了涡流发生器长高比和攻角对流动和传热特性的影响。结果表明：V型排布的4个矩形涡流发生器产生了两对反向旋转的纵向涡流,增强了冷热流体的混合,改善了圆管内的场协同,提高了换热性能;随着涡流发生器长高比的增加,换热管性能比较指标增大,但是增加幅度逐渐减小,当长高比为2时,换热管具有较好的综合性能;随涡流发生器攻角的增大,性能比较指标先增大后减小,当攻角为30°时,多数工况下性能比较指标具有最大值,换热管具有最佳综合性能。可见,矩形涡流发生器的结构参数对换热管的传热特性有巨大影响,研究结果可为换热管的设计和改进提供参考。     

板式换热器流动与传热特性的数值研究

建构了与BR0.015F型人字形波纹板式换热器实际结构、尺寸完全相同的冷热双流道物理模型,采用Fluent软件开展了数值仿真,通过改变该换热器的波纹节高比l/h、波纹倾斜角β和流道内流体流动形态,分析了其流动和传热特性,明晰了板片结构参数的变化对流动和传热特性的影响,最终获得了压降与换热最佳时的结构参数.结果表明:板式换热器的l/h越小时,其换热越好且流阻越小,l/h=2.4时的换热效果最佳且流阻最小;随着β的增大,其换热效果增强,但其流阻亦增大,β=45°时的同功耗换热效果最佳;单边流的流动与传热特性均优于对角流.     

几种翼型涡流发生器强化换热及流阻性能的实验研究

在Re=4000～38000的紊流范围内,对矩形风道内分别布置有单排一对直角三角翼、矩形翼和梯形翼(斜边倾角φ=20°和12°两种)等涡流发生器的强化换热和压降特性进行了对比实验.实验在稳态的气 水逆流换热方式下进行.实验结果表明,在固定各涡流发生器的宽度b=70mm、高宽比h/b=1/2及迎流攻角β=60°的共性条件下,矩形翼强化换热的效果最好,φ=20°梯形翼次之,直角三角翼和φ=12°梯形翼再次;矩形翼压力损失最大,直角三角翼和φ=20°梯形翼流阻较小.     

旗形动态插入件宽度对圆管内油类介质对流换热的影响

探索了旗形强化传热元件宽度对管内油类介质的换热及流阻特性的影响。     

绕椭圆柱管束的流动与传热特性

椭圆柱管束换热器在工业领域中得到广泛的应用。采用一种简单合理的自由表面模型深入研究了流体绕流椭圆柱管束的流动与传热问题。通过适体坐标转换方法在非规则流道截面上求解出动量与热量传递控制方程,获得了等壁温条件下的流道内的阻力系数和努塞尔数等准则数,并且和文献值进行了对比。文献值和模拟值之间的最大绝对误差小于3.5%,表明所建立的数学模型是正确的。利用所建立的数学模型分析了流动方向、椭圆柱横截面形状、管束结构参数以及壁面边界条件对绕流椭圆柱管束的流动与传热特性的影响。获得了等壁温和等热流密度条件下的阻力系数和平均努塞尔数。这些准则数为椭圆柱管束的设计和优化提供理论指导。     

螺旋丝径对内插螺旋线圈圆管内油类介质强迫对流的影响

实验研究了内插螺旋线圈的水平圆管内30~#透平油的对流强化传热及流阻特性,探索了螺旋丝径的影响。实验圆管为φ10×0.5×900mm的紫铜圆管。其它参数范围为:193.97≤Pr≤464.36;2.7×10~2≤Re≤2.5×10~3;0.333≤t/D≤1.333和3.75≤t/d≤24.实验表明,Re及丝径的增大均使换热系数及阻力增大;Re的增大亦同时造成h/h_及△P/△P_两个比值的增加。Pr的减小可使换热增强,流阻减小,采用(Nu/Nu_)/(f/f_)~(0.29)作为评估传热及流阻综合性能的判据,实验范围内该判据之值介于2.09～3.23之间。此外,综合实验数据得到了传热及流阻两个关系式。     

管风多片旗形动态插入件强化传热的实验研究

研究了圆管内均匀布置１－５片旗形件时油的强化传热及流阻特性。当工质参数处于１４６≤Ｐｒ≤２０６和８５２≤Ｒｅ≤６８５７时以４片旗形件最佳；其换热系数ｈ与光管换热系数ｈ０之比可高达４．１；而压降之比最高只有３．４；综合判据之值可高达２．９５。     

4种冷却结构对叶片前缘流动换热影响的比较研究

为了研究不同冷却结构对叶片前缘冷却性能的影响,建立了冲击冷却、简单旋流冷却、中间双旋流冷却和切向双旋流冷却的4种结构,利用流体动力学软件ANSYS CFX对比分析了各种冷却结构的流动和换热特性。研究结果表明:冲击冷却的冷气流速变化剧烈,靶面压力较高,流阻系数最低,局部换热强度大,靶面平均换热强度不大;简单旋流冷却的流速变化较为平缓,流阻系数较大,换热强度较大,靶面换热强度分布均匀;中间双旋流冷却的平均换热系数最大,换热强度分布比较均匀,流阻系数较小,可以作为一种新型的发展前景良好的前缘冷却结构;切向双旋流冷却的流动和换热特性很差,不具备进一步研究的价值。     

内置转子圆管管内沸腾强化传热数值模拟研究

利用Fluent软件中欧拉多相流模型下的Rensselaer Polytechnic Institute(RPI)沸腾模型对内置单元组合转子换热管和光管在过冷沸腾工况下的传热过程进行数值模拟,得到换热管内汽相分布、速度场、努赛尔数以及进出口压降等参数,并通过综合评价因子(PEC)对内置转子换热管的综合传热性能进行评价。结果表明：加装了组合转子后,管内流体由单一的轴向运动变为复杂的螺旋运动;在入口流速0.1～0.5 m/s的模拟范围内,随着入口流速的减小,内置螺旋三叶片转子换热管的汽相体积分数比光管提高2.7%～25.8%,努塞尔数提高了约8.1%～10.79%;在不同入口流速下螺旋三叶片转子和低流阻转子的PEC值均大于1,内置低流阻转子换热管的汽相体积分数比光管提高1.13%～13%,努塞尔数提高约3.6%～8%。螺旋三叶片转子和低流阻转子均具有强化传热效果,且螺旋三叶片转子的强化传热效果要优于低流阻转子。     

管内纵向涡强化换热的阻力特性

为探讨管内纵向涡强化换热的阻力特性,通过理论分析和实验研究,分析了管内雷诺数以及涡发生器的安放位置、间距、高度等参数对管内阻力的影响,得到了管内阻力的拟合公式,并列出图表进行比较分析,进而得到了管内纵向涡发生器强化传热的规律和阻力特性,结果表明：在同一雷诺数下,阻力系数随间距的变化呈一次线性关系;间距相同时,较高的发生器高度对雷诺数较大时的传热有更显著的强化效果;小于纵向涡影响区域的间距设置对于强化换热是不可取的。     

绕流椭圆柱管束的流动与传热特性

椭圆柱管束换热器在工业领域中得到广泛的应用。本文采用一种简单合理的自由表面模型深入研究了流体绕流椭圆柱管束的流动与传热问题。通过适体坐标转换方法在非规则流道截面上求解出动量与热量传递控制方程,获得了等壁温条件下的流道内的阻力系数和努塞尔数等准则数,并且和文献值进行了对比。文献值和模拟值之间的最大绝对误差小于3.5%,表明所建立的数学模型是正确的。利用所建立的数学模型分析了流动方向、椭圆柱横截面形状、管束结构参数以及壁面边界条件 对绕流椭圆柱管束的流动与传热特性的影响。获得了等壁温和等热流密度条件下的阻力系数和平均努塞尔数。这些准则数为椭圆柱管束的设计和优化提供理论指导。     

蒸汽发生器U型管换热特性分析

针对蒸汽发生器传热元件U型管在换热过程中的破损、渗漏等事故,分析了U型管结构特性和流动特性在换热过程中的影响.分析指出,换热过程U型管机械性能的降低是产生事故的直接原因,而冷热流体在换热流动过程的回流和紊动冲击则加速了事故进程.这充分表明有关蒸汽发生器定压升温和汽化过程的传热研究是极为必要的.     

R－12蒸气在三维内翅管中凝结流动的传热及流阻特性

报道了Ｒ－１２蒸气在三维内翅管中的流动冷凝实验，结果表明：与光滑面相比，Ｒ－１２蒸气在三维内翅管中的凝结换热系数增加了１０７％，而流阻只增加了１８％，并对此进行了相应的分析，建立了预测传热性能和流阻的关联式。     

R—12蒸气在三维内翅管中凝结流动的传热及流阻特性

报道了Ｒ－１２蒸气在三维内翅管中的流动冷凝实验，结果表明：与光滑面相比，Ｒ－１２蒸气在三维内翅管中的凝结换热系数增加了１０７％，而流阻只增加了１８％，并对此进行了相应的分析，建立了预测传热性能和流阻的关联式。     

反演变换在计算机绘图中的应用

反演变换推导出的圆环面与斜椭圆锥面相贯线投影的参数方程，完全满足计算机绘图的要求。在计算机绘图上，应用这一参数方程编程，除了赋值不同外，对绘圆环面与斜椭圆锥面、斜椭圆柱面、圆锥面、圆柱面相贯线的投影具有通用性。     

纵向涡强化片式散热器换热性能的数值分析

为提高油浸式变压器用片式散热器的综合换热性能,在散热器空气侧安装新型六边形翼涡流发生器,通过数值模拟研究涡流发生器的纵向间距、攻角以及形状对片式散热器换热性能的影响,并运用场协同原理从速度场和温度场相协同的角度阐述纵向涡强化换热的机理。结果表明：同等面积下六边形翼的阻力因子较矩形翼有所增大,但其努塞尔数的提高更加显著;当六边形翼C涡流发生器布置间距为60 mm、攻角45°时,速度矢量与热流矢量间的夹角最小,速度场和温度梯度场协同性最好,散热器综合换热性能最佳,比普通片式散热器的综合换热性能提高26.52%。     

不同深度凹陷内湍流流动与传热性能的数值研究

采用标准k-ω湍流模型对具有不同深度的凹陷涡发生器表面湍流传热性能进行了数值计算,获得了雷诺数(Re)在8 500~60 000内不同深度的凹陷表面湍流传热、流阻和流动特征,并拟合了传热和摩擦因子关系式.凹陷表面平均传热性能和摩擦因子随着深度的增加而增大,并且Re越高传热性能和摩擦因子越高.在低Re值(Re=8 500)时深度比(σ,凹陷表面深度与截面直径之比)为0.1和0.3的凹陷传热相差不大,平均性能较光滑平板增强约40%左右;而在高Re值(Re=50 500)时后者比前者传热提高约11%,平均换热性能较光滑平板分别增强42.1%和51.6%,摩擦因子提高30%~120%.相对于光滑通道,凹陷表面综合热性能提高10%~35%,综合热性能随凹陷深度的增加而逐渐减小.详细的凹陷表面传热分布还表明,深度比为0.1和0.2的浅凹陷涡发生器局部传热分布对称,而深度比为0.26和0.3的深凹陷局部传热分布是非对称的,这主要是由于浅凹陷与深凹陷内部具有不同的涡流结构.     

F12在螺旋线圈管内的流动沸腾特性

本文报道了Ｆ１２在插入两种不同丝径的小间距螺旋线圈时管内的流动沸腾传热及流阻特性，选取适当的螺旋丝径与较小的间距，内插线圈管的流动沸腾换热系数可达光管的２．１倍，而其流阻增大不到２．５倍，相应的热力性能系数最大可达８．１４。该法可用以强化制冷蒸发器及ＯＡＫ系列套片管式蒸发器的传热。     

低Re数流动条件下翅片管束换热及阻力特性的研究

实验发现,与光管管束类似,随Re数增加圆翅片与椭圆翅片管束亦先后呈现3种不同的流态,即层流、混合流和紊流,相应的有3种不同的换热机制和规律。在低Re数时,换热由层流或混合流机制所控制。目前,工程中用紊流区的换热与阻力规律向下延伸,用于设计运行于低Re数工况的自然抽风空冷器将导致设计的失败。实验表明,在自然抽风空冷器操作条件下,对于同样的换热系数,椭圆翅片管的压降比国翅片管低45%左右,采用椭圆翅片管将取得较明显的经济效益。实验还发现,来流气流不均匀性对自然抽风空冷器的平均换热特性几乎没有影响,因此对吸风入口型线的设计可以大大放低要求。