换热管流固耦合传热的分区求解数值算法

考虑换热管与流体换热的相互影响,以换热管固体域与管内流体域为研究对象,根据耦合界面温度和热流密度的连续性边界条件,推导了界面温度和热流密度的迭代格式和收敛判别方法.以整场离散整场求解为基准,研究耦合界面处的温度和热流密度分布以及出口平均温度,探讨了分区求解边界耦合算法的计算精度和求解效率.计算结果表明,建议松弛因子取0.75、收敛容差取0.1为宜.流固耦合传热的分区求解数值算法,为高效换热管的研发提供可靠的数值模拟方法.     

同轴径向热管的数值模拟

基于不同工况、不同充液率下的同轴径向热管实验结果,利用数值计算的方法对热管内部工质进行模拟研究。研究结果表明:饱和蒸汽在上升过程中受热逐渐成为过热蒸汽,在顶部遇到迎面蒸汽时相互碰撞,流速几乎为零,此时蒸汽换热以导热为主,工质温度达到最高值;蒸汽工质沿径向上升在顶部出现回流现象,冷却水管壁顶部区域速度最低,冷凝速率最大;管壁温度分布由热管底部到热管顶部逐步上升,充液率为50%的热管,当横向坐标在7.5～22.5 mm区间内时,温度接近于线性上升,之后上升幅度变小。数值模拟结果与实验数据基本吻合,其相对误差小于5%。     

微肋管单相对流强化换热数值模拟

利用计算流体力学和数值传热学的方法,采用非一致网格,应用Fluent软件对3种型号微肋管管内的单相流动与传热性能进行了三维数值模拟计算和理论分析,研究了管内流体的雷诺数及管子几何尺寸对其流动与传热性能的影响,其计算结果与实验结果基本吻合．结果表明：当10000〈Re〈120000时,与圆管相比,微肋管的努塞尔数分别达到了光滑圆管的1．88、2．08和2．48倍,而阻力系数为光滑圆管的1．60、1．68和1．72倍．     

径向热管换热器壳程数值模拟及结构参数优化

利用FLUENT软件,对同轴径向热管换热器壳程进行模拟计算,分析烟气速度、温度及局部对流换热系数沿壳程的变化规律,并寻求换热器结构参数优化值。研究结果显示:换热器壳程,离热管管壁越近,温度梯度越大;烟气流经管束时,在管束尾部形成一个楔形的涡流区,速度在流体出现脱体的地方达到最大;湍流强度在涡流中心区域也达到最大值,中心区域的换热强度明显高于热管两侧边缘处,管束尾部的烟气温度低于管边缘处的烟气温度。将模拟结果与测试结果进行比较,误差在10%以内。通过改变换热器结构参数,对换热器壳程烟气对流换热进行分析研究,得到径向热管换热器结构优化参数:横向管距为114~120 mm;纵向管距为120~125 mm;翅片高度不应高于26.5 mm;翅片间距为6 mm。     

分-合式微通道流动传热性能数值模拟

针对矩形微通道进出口压降大、温度分布不均匀,以及分形微通道受到分形维数和分支数限制适用范围较窄的问题,结合矩形微通道和分形微通道的优势设计一种分-合式微通道散热器。使用Fluent软件对散热过程进行数值模拟,研究微通道内分支倾斜角度变化对流动和传热性能的影响。结果表明,在100 W/cm²的热流密度下,Re为970、分支倾斜角度为90°时,分-合式微通道平均温度降低了11.9 K,最高温度降低了14.2 K,Nu增加了85.7%,整体传热性能(PEC)也最佳,达到1.44。分支的引入可以增加微通道内部换热面积,同时形成新的边界层,在分支内侧产生漩涡,有效提高了微通道散热器的传热性能,为微通道的优化设计提供了新的理论依据。     

一种辐射传热混合模拟方法

采用Monte-Carlo法与热流法相结合的一种混合模拟方法进行三维封闭空腔内参与性介质的辐射传热计算,分析了炉膛内比热流参数的分布规律,并将计算温度场与区域法、热流法计算结果进行了比较.分析表明,该混合模拟方法计算结果合理,精度好,效率高,是一种很有工程应用价值的炉内辐射传热计算方法.     

太阳能平板降膜再生过程的数值模拟

针对太阳能平板集热型再生器中辐射传热和对流传热边界条件,建立了传热传质过程的数学模型,对采用氯化钙溶液的再生过程进行了数值模拟分析,对影响再生过程的各种主要因素做了较详尽的分析.模拟结果表明,较低的溶液入口质量分数和空气入口含湿量以及较高的溶液入口温度能够增大溶液表面和空气间的水蒸气压力差;而增大空气流动Re数和空气/溶液质量流量比可以提高空气、溶液间水分传质系数.采用这些措施都能够得到更好的再生效果.     

合成射流流动与传热特征的数值模拟

采用RNGκ-ε模型和PISO算法,通过求解三维N-S方程,对腔体右侧振动膜片运动的二维合成射流流动与传热特征进行了数值模拟.模拟结果显示由于激励器在右侧振动膜片的作用下,合成射流产生的喷射气流在喷口中心右边速度稍大于左边速度,形成不对称射流流场;射流冲击壁面的速度峰值出现在中心区两侧,使得射流冲击换热的Nu数形成相应的峰值;随着合成射流冲击距离Z/do的增大,其对流换热系数出现先增大后减小的变化规律,当冲击距Z/do=20~30 mm时冷却效果较佳.     

换热场协同理论的数值模拟

场协同理论把对流换热比拟为有内热源的导热问题 ,认为对流换热的强化不仅取决于流体的流动和流体的物性 ,还取决于流场与温度场的协同关系。该文在场协同理论指导下进行了强化换热的机理探讨 ,利用数值分析的方法 ,从分析流场与温度场的协同配合关系入手 ,研究等壁温和等热流两种边界条件下两无限大平板间流动的换热特点。研究结果表明 ,在两无限大平板通道的流动换热特性和流场与温度场的协同状况有密切关系 ,并揭示了在该流动中影响换热的主要当量源。有针对性提出强化换热的方向。场协同理论为强化换热技术的发展提供了理论依据     

电动汽车锂离子电池组内散热特性数值模拟研究

锂离子电池组涉及数据规模庞大,传统方法无法有效实现对其散热特性的研究,为此,提出一种新的通过数值模拟方式研究电动汽车锂离子电池组内散热特性的方法。介绍了锂离子电池组工作原理,分析了锂离子电池的充放电过程。通过雷诺平均法进行雷诺时均处理,获取电动汽车锂离子电池组内散热控制方程和湍流方程。介绍了初始和边界条件,通过CFD实现控制方程的求解。依次进行了锂离子电池表面散热特性数值模拟、不同风孔大小下电池组散热特性数值模拟、不同倍率充放电后电池组散热特性数值模拟以及不同环境温度下电池散热特性数值模拟。实验结果表明,锂离子电池中心垂直截面和上下壁面的温度分布均为中心最高,壁面较低,壁面温度梯度大,热量散失速度快;在风孔大小和出口大小相近,充放电倍率为1C时,电动汽车锂离子电池组内散热性最佳;环境温度越低,电池温度升高幅度越大,散热性能越好。     

步进式加热炉内流动与传热过程的数值模拟

建立了步进式加热炉内流动、燃烧和传热的数学模型.湍流模型采用κ-ε双方程模型,辐射换热计算采用六通量法,气相燃烧采用修正EBU模型,流场计算采用Simpler算法.采用上述模型与算法得到了炉内详细合理的温度、速度和浓度分布.     

蓄热式换热器流动传热的数值模拟

以炼铁厂的蓄热式热风炉为例,根据热风炉的实际运行状况对热风炉内的流动与换热过程进行合理简化,应用二维模型,采用有限容积法对热风炉内的流动与换热情况进行数值求解,得到了热风炉在不同工况下的气体温度与蓄热体温度的分布情况,模拟计算结果表明：在内燃式热风炉蓄热体中气体的温度分布大致为对数曲线,并且在热风炉中同一高度上气体与蓄热体温差较小,与实际情况相符,这对优化热风炉的运行与设计有参考价值。     

燕尾形轴向槽道热管的蒸发冷凝传热特性

建立了燕尾形轴向槽道热管蒸发和冷凝薄液膜传热特性理论模型,并对模型进行了数值求解.对蒸发薄液膜区液膜厚度、接触面温度和热流密度分布进行了分析,给出了汽液接触面蒸发/冷凝传热系数沿轴向的变化.研究表明:在蒸发薄液膜区域,薄液膜厚度沿槽壁方向呈线性增加;汽液接触面的温度在起点几乎和壁面温度相同,随着薄液膜厚度的增加而迅速降低;在薄液膜的起始段,热流密度快速达到最大值,随即迅速减小.蒸发段的蒸发传热系数大于冷凝段的冷凝传热系数,蒸发/冷凝传热系数在整个绝热段并不都为零.同时,通过实验验证了模型的正确性.     

电磁铁传热特性及散热优化的数值模拟

电磁铁是电液控制系统的核心液压元件,被广泛应用于航空航天和石油工业等领域,但电磁铁工作产生的焦耳热和电磁损耗会导致温度迅速升高、局部热应力和不均匀膨胀变形,严重影响稳定性和使用寿命。笔者采用有限元软件研究电磁铁温度、应力及变形的演化规律,分析导热套筒散热与强制对流散热对其热性能的影响规律。结果表明：随着线圈功率增大,电磁铁的最大温度、热应力和变形量均线性增大;随着套筒厚度增加,稳态的最大温度、变形量和导热量线性减小,温降幅度为12.5 ℃/mm;随着流速增加,最大温度、热应力和变形量显著减小,温降幅度45.5 ℃/(m·s^-1),说明增强导热和对流均能提高电磁铁热性能且对流更为显著。     

压延胶片与冷却鼓传热过程的数值模拟

压延成型胶片在冷却鼓上的冷却对胶片质量起着至关重要的作用。在胶片冷却过程中,需控制冷却鼓数量和冷却水流量实现合理有效的冷却,以保证胶片的质量。应用Fluent软件对胶片在冷却鼓上的稳态换热过程进行数值模拟。针对固体动边界传热模拟技术的限制,提出了热-流-固耦合换热下胶片冷却的模拟方法,并对6种不同胶片在10个冷却鼓上的冷却过程进行了模拟,得到了胶片的温度分布。与实测数据对比发现,模拟结果和实测结果吻合,验证了本文提出的传热模拟方法的合理性,解决了薄膜移动边界传热模拟问题。     

同轴径向热管传热特性实验研究

为了解热管径、轴向外壁温度的分布情况及不同充液率条件下热管的换热系数,对新型碳钢-水同轴径向热管在5种不同充液率下的传热性能进行实验研究,分析不同热流密度下热管管壁的温度分布情况;并根据最小二乘法原理,推导热管传热系数与充液率及热流密度的实验关联式.研究结果表明:在实验条件下,50%充液率的热管传热性能最佳;在不同充液率条件下,热管的换热系数相对误差不超过7.92%.     

热泵地埋管周围土壤热湿迁移研究

针对热泵地埋管周围土壤内热湿耦合迁移特性开展研究,采用非饱和多孔介质三参数渗流物理模型,将地埋管温度边界与土壤温度边界进行耦合,利用FLUENT软件的UDF功能对地埋管和周围土壤进行耦合运算,得到非冻土条件下地埋管周围土壤水饱和度、压力和温度梯度的变化规律,数值模拟结果与现场测试结果进行对比,吻合较好.     

竖直U型地埋管传热性能数值模拟

对土壤源热泵系统在制冷季中垂直U型地埋管的传热性能进行数值模拟,揭示U型管入口水温、入口流速和回填材料导热系数对地埋管传热性能的影响规律.计算结果表明:在30~60°C的入口温度范围内,当雷诺数从3 000提高到11 000时,会使地埋管热流量增大10~23W,但会导致流体进出口温差降低0.2~1.34°C,在工程应用中流体进口流速要控制在一定范围内.水的入口温度和雷诺数分别为45°C和7 000时,回填材料导热系数从0.5 W/m·K增大至2.5 W/m·K,U型地埋管的热流量增大了将近2倍,也就是说在工程应用中,如果在回填土中掺混一定比例的保水材料将会增强埋管换热,并防止埋管长期运行时由于土壤本身保水性差使得土壤板结从而导致埋管失效.模拟结果与实验数据进行对比吻合较好.     

管式加热炉中传热过程分析

提出了管式加热炉传热过程控制步骤的判据,通过数学模拟给出了辐射室热交换量的分布,叙述了强化传热与节能的途径。     

螺旋槽管强化传热机理及性能的数值研究

基于Fluent对9根具有不同结构参数的单头螺旋槽管进行了数值研究,得到了螺旋槽管内流体速度和温度分布,从微观上说明了螺旋槽管强化传热的机理。数值计算结果表明,在研究的雷诺数Re范围内(10 000~45 000),螺旋槽管的努塞尔数Nu是光管的1.34~2.01倍;阻力系数f是光管的2.01~6.40倍;Nu和f随槽深e的增加而增加,随节距p的增大而减小。螺旋槽管传热的综合性能明显优于光管,在换热面积和泵功率消耗相同的情况下,综合性能最好的2#管可使换热量提高14%~19%。