Physical quantity synergy in the field of turbulent heat transfer and its analysis for heat transfer enhancement

Based on the principle of physical quantity synergy in the field of laminar heat transfer, and according to the models of zero equation and k-ε two equations for the turbulent flow, the synergy equations for both energy and momentum conservation in the turbulent heat transfer are established. The synergy regulation among heat flux, mass flow and fluid driving force, and the mechanism of heat transfer enhancement it reflects are revealed. The synergy principle of physical quantity in the thermal flow field is extended from laminar flow to turbulent flow. The principle is verified to be universal by the calculation of heat transfer enhancement in a tube with an insert of helical twisted tape. Thus, corresponding to the synergy relation among physical quantities in the turbulent flow field, the performance of convective heat transfer and flow resistance for the tubes with different heat transfer components and surface can be compared through theoretical and computational analysis, which thereby provides a guidance for designing heat transfer units and heat exchangers.     

Physical quantity synergy in laminar flow field of convective heat transfer and analysis of heat transfer enhancement

Based on the principle of field synergy for heat transfer enhancement, the concept of physical quantity synergy in the laminar flow field is proposed in the present study according to the physical mechanism of convective heat transfer between fluid and tube wall. The synergy regulation among physical quantities of fluid particle is revealed by establishing formulas reflecting the relation between synergy angles and heat transfer enhancement. The physical nature of enhancing heat transfer and reducing flow resistance, which is directly associated with synergy angles α,β,γ,φ,θ and ψ; is also explained. Besides, the principle of synergy among physical quantities is numerically verified by the calculation of heat transfer and flow in a thin cylinder-interpolated tube, which may guide the optimum design for better heat transfer unit and high-efficiency heat exchanger.     

离心力场作用下对流换热场协同理论的实验验证

对离心流化床(CFB)干燥器中气体与被干燥颗粒物料之间的强制对流换热进行了实验研究．实验结果表明，在一定转速范围内，当气流速度方向和热流方向(即温度梯度方向)一致时，离心力场作用下气体流过颗粒层的对流换热准则关联式与由场协同理论中推导的结果具有同样形式，从而验证了场协同原理的正确性．     

新型强化传热螺杆结构传热性能数值研究及场协同分析

利用CFD软件fluent对普通螺杆结构和新型强化传热螺杆结构在塑化计量段中的三维非等温流场进行数值模拟,研究两种结构流道内熔体的速度场、轴向和径向温度场、对流传热系数及场协同角的不同。结果表明：在塑化过程中,新型强化传热结构存在着径向的对流传质过程,加强了径向的对流传热,因此有较好的径向温度分布;新型结构较普通螺杆结构有较高的对流换热系数和较好的场协同性,从而加强了螺杆的对流传热。     

场协同原理强化管外降膜吸收传热特性实验研究

对基于场协同原理设计的两种强化传热管型进行了LiBr降膜吸收水蒸气过程的传热实验研究,并与光滑铜管作比较,考查该传热管型在吸收过程中的强化作用.实验测量参数包括;溶液进出口温度、浓度,流量,冷却水进出口温度、流量等.实验结果表明,两种强化传热管型在低雷诺数时对LiBr降膜吸收传热的强化比分别为20%和50%,而且随着雷诺数的增大而增大.利用场协同理论和降液膜流动的波动特性分析了强化降膜吸收过程传热特性的物理机制,发现速度矢量与温度梯度的夹角及降液膜厚度形成的阻力对对流换热有一定影响.     

Field synergy principle of heat and mass transfer

Simultaneous heat and mass transfer widely exists in nature and engineering, and it is of vital importance to enhance heat and mass transfer efficiency. In this paper, field synergy equation of heat and mass transfer is derived from its energy equation. Results show that the total transferred heat （including the conducted heat and the heat transferred by mass diffusion through the heat transfer interface） is determined by the values of fluid velocity and enthalpy gradient as well as the value of synergy angle α of velocity vector and enthalpy gradient field. Decreasing the value of α enhances the heat and mass transfer. This means the higher the synergy of velocity vector and enthalpy gradient field, the higher the total transferred heat. By the synergy principle of heat and mass transfer, some methods may be developed to improve the heat and mass transfer efficiency.     

流体纵向流过针翅管传热性能实验研究

对针翅管（包括Sunrod焊接针翅管和整体针翅管）进行了气相和液相传热性能实验研究，试验分别在空气、水和油等介质中进行，得出了流体纵向流过针翅管的流动换热准则关系式。结果表明针翅管具有优良的传热性能和较低的阻力损失。     

流过管束的流动换热与结构的综合性能评价

对于流过管束的流动换热过程以给定换热结构使换热量最大为条件导出经济结构尺寸与换热参数间的关系式,并借助于换热准则关系得出其与流动参数间的关系式;进而以过程中相对炯损失率最小为条件导出该流动换热过程最佳流动参数的表达式．联立上述两个关系式就可得出使过程的结构尺寸、流动特征与换热性能间综合优化的最佳管排与给定热流和管径间的关系式,以此作为性能分析与评估的判据,这里以流过叉排管束为例进行综合性能的分析与评价,     

平板式内构件管式换热器传热性能研究

实验研究了安装有平板及45°平板扰流内构件的管式换热器传热与压降特性,结果表明：管内插入平板和45°平板扰流内构件时,换热器传热性能和压降特性随扰流内构件组数N和Re的增加而增大;当Re ≥ 2.6×10⁴时,换热器压降增加比较显著;当N>6时,平板内构件换热器传热性能强化稍优于45°平板内构件换热器,但是压降明显较大;两种内构件组数不宜超过9组。在实验研究范围内,平板和45°平板内构件换热器传热性能分别是空管换热器的1.66~3.47倍和1.67~3.38倍,压降分别是空管换热器的6.25~29.57倍和3.61~10.77倍。Re在1.9×10⁴左右时,平板和45°平板综合性能评价因子达到最大,分别约为1.24和1.57,说明45°平板内构件换热器综合性能优于平板内构件换热器。随后进一步采用数值模拟方法对换热器的传热和流动特性进行了模拟,结果表明：有角度平板可以使流场旋转产生二次流动,强化了传热,降低了换热器压降的增幅。因此,将有角度的内构件插入管式换热器中可有效增加换热器的综合传热性能。     

自然对流对螺旋管内湍流对流换热影响

采用控制容积有限元法对有自然对流影响的螺旋管内三维湍流对流换热问题进行了数值分析研究.螺旋管内湍流对流换热利用RNGκ-ε湍流模型进行模拟,近壁处湍流利用非平衡壁面函数法处理.数值迭代计算过程中,利用SIMPLEC算法求解速度与压力的耦合.数值计算详细揭示了螺旋管进口段内湍流混合对流换热的发展过程以及自然对流对传热努塞尔数的影响.     

环形内肋片圆管层流脉冲流动强化对流换热数值分析

为了解环形内肋片圆管中脉冲流动强化对流换热的机理,该文对这一现象进行了数值研究。数值计算结果表明:与具有相同Rem时的稳定流动相比,脉冲流动可使对流换热强化一倍以上,其强化效果与振荡频率、肋片高度和肋片间距有关;最佳量纲1振荡频率在400到1000之间,并随着Rem的增大而增加;对流换热强化的原因在于脉冲流动使由肋片引起的涡旋更加激烈,速度场和温度梯度场之间的协同性更好。     

内置组合转子换热管强化传热性能评价

在传统的强化传热综合性能评价方法基础上,综合考虑内置转子后强化管流通面积、当量直径、流体流动路径以及整个换热系统的影响,基于相同泵功率条件提出了反映换热系统及换热器采用转子强化传热技术后性能改善的评价方法;同时,针对组合转子进行了相同泵功率条件下两种评价方法的对比研究,研究结果表明：本文提出的评价方法与传统评价方法随着雷诺数变化的趋势是一致的,并且两种方法计算出的组合转子综合性能评价因子均大于1,从而说明了组合转子能产生较好的强化换热综合性能。     

同心双扭旋元件内外叶片数量对管内传热性能的影响

为探究同心双扭旋元件组合方式变化对换热管传热特性的影响规律,采用数值模拟方法对雷诺数Re=200~1 800范围内恒壁温条件下的管内传热进行了分析,并进行了实验验证。研究结果表明：在Re=200~1 800的范围内,含有4-4同心双扭旋元件换热管的努赛尔数Nu值最大,其次为3-3同心双扭旋元件,2-4与2-2同心双扭旋元件的Nu相差不大,最大仅相差5%;4-4同心双扭旋元件换热管的阻力系数f最大,其次为3-3同心双扭旋元件,2-4同心双扭旋元件的阻力系数略高于2-2同心双扭旋元件;2-2同心双扭旋元件换热管的综合传热性能评价因子（PEC）值最大,为1.50,且明显高于其他3种换热管,其余3种换热管的PEC值相差不大;4-4同心双扭旋元件换热管的场协同数F_c值最大,其余3种换热管的F_c值相差不大。     

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.     

以(火用)分析法比较制冷工质的流动换热性能

借助于控制体热平衡和熵平衡导出换热过程火用损失率方程 ,利用换热过程的火用损失率方程得到了 3种天然制冷工质 (氨、二氧化碳、丙烷 )和常用卤代烃制冷工质在不同换热方式下的综合特性 ,并在相同换热模式下进行分析比较 .结果表明 ,上述几种天然工质 (尤其是氨 )其流动与传热的综合性能优于R2 2 ,R5 0 0和R114等几种常用的卤代烃工质     

纤毛肋强化管内对流换热

为发展一种在提高换热的同时附加阻力较小的新型强化换热技术 ,对层流通道中单根纤毛肋的强化换热作用进行了简化的理论分析 ,入口条件为速度和温度充分发展 ,分析中注意到了肋表面传热系数远远大于壁表面传热系数的事实。结果表明纤毛肋能有效地强化传热 ,影响纤毛肋的强化换热效果的主要参数是肋的长径比 (D/ d )和肋与流体的导热系数之比 (λs/λf)。随着 D/ d和λs/λf 的增加 ,传热强化作用增强 ;在λs/λf 较小时 ,纤毛肋的强化换热作用增加很快 ,当λs/λf 较大时 ,继续增加λs/λf 对换热增强的作用较小     

内置转子换热管强化传热性能研究

概述了转子组合式强化传热装置的强化传热和自清洁原理，实验研究了阶梯对螺旋叶片转子强化传热性能的影响。实验结果表明，在相同的雷诺数条件下，内置阶梯型螺旋叶片转子换热管的努塞尔数及阻力系数较无阶梯的螺旋叶片转子分别高出了7.8%~13.1%和24.1%~33.8%，同时性能评价因子（PEC）明显高于无阶梯的螺旋叶片转子，从而验证了阶梯可明显提高螺旋叶片转子强化传热的综合性能。     

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%。     

锥纹管换热器流体流动与传热性能实验研究

波纹换热管是一种具有特殊形状的双面强化传热管,传热效率高,轴向变形补偿能力强,被广泛应用于工程实际中。锥纹管是在传统波纹管的基础上进行改进得到的新管型,具有优越的强化传热特性。针对锥纹管弓形折流板换热器的流动与传热特性进行实验研究,并将其与传统光滑管弓形折流板换热器进行对比,实验结果表明：在所测试流量范围内,当管程介质为水,壳程介质分别为水和32#液压油时,与光滑管换热器相比,锥纹管换热器的总传热系数分别提高了5%~40%和5%~20%,管程压力降升高了20%~70%,壳程压力降降低了10%。同时进行了相关数值模拟计算,并基于实验和模拟结果,对以水为介质的锥纹管换热器的管壳程传热准则关联式进行了拟合,数值验算结果表明,关联式可以满足工程设计的精度要求。     

锥纹管换热器流体流动与传热性能实验研究

波纹换热管是一种具有特殊形状的双面强化传热管,传热效率高,轴向变形补偿能力强,被广泛应用于工程实际中。锥纹管是在传统波纹管的基础上进行改进得到的新管型,具有优越的强化传热特性。针对锥纹管弓形折流板换热器的流动与传热特性进行实验研究,并将其与传统光滑管弓形折流板换热器进行对比,实验结果表明：在所测试流量范围内,当管程介质为水,壳程介质分别为水和32#液压油时,与光滑管换热器相比,锥纹管换热器的总传热系数分别提高了5%～40%和5%～20%,管程压力降升高了20%～70%,壳程压力降降低了10%。同时进行了相关数值模拟计算,并基于实验和模拟结果,对以水为介质的锥纹管换热器的管壳程传热准则关联式进行了拟合,数值验算结果表明,关联式可以满足工程设计的精度要求。