大管径八流道螺旋喷嘴涡流管流动与传热数值模拟

为了探究大管径涡流管内流场分布规律和冷热分离机理,建立大管径八流道螺旋喷嘴涡流管三维模型,选取甲烷作为工质气体进行数值模拟,并对相关物理场进行重点分析。研究结果表明:涡流管内径向存在一环形区域,内外旋流气体在区域内相互剧烈作用,总压迅速减小,不可逆熵增大,能量快速传递,总温产生分离;同时,在一定入口总压、总温下,调节热端出口背压,涡流管存在最佳的制冷、制热温差以及最优的制冷、制热量,且同一冷流比下,工质气体的单位制冷量要优于单位制热量。     

入口压力与冷气流率对涡流管制冷性能影响研究

考虑到切向入口压力与冷气流率两个特定因素对涡流管制冷性能的重要影响，通过系统的实验方法研究了涡流管制冷效应、单位制冷量和绝热效率随此二者因素的变化规律，并以实验数据为依据，给出相应的经验方程．结果表明：当冷气流率不变时，制冷效应、单位制冷量都随入口压力的增大而增大，而绝热效率几乎不受入口压力的影响；在入口压力不变的条件下，制冷效应、单位制冷量和绝热效率都随冷气流率的增大呈现先上升而后下降的趋势，在某一冷气流率下，制冷效应、单位制冷量和绝热效率最大，但是最大值所对应的冷气流率值却完全不同；对于本实验所用的涡流管，给出的经验方程能很好地与实验数据相关联     

涡流室结构参数对小管径涡流管制冷性能影响的三维数值模拟

为提高小管径涡流管的制冷效率,以产生高速涡流和发生工质分离的涡流室为对象,分析了涡流室内工质分区域流动和组合涡流动的特点,并利用standard k-ε湍流模型实现了涡流室内工质的流动过程仿真.通过分析涡流室内工质速度场、温度场和压力场的变化情况,阐明了涡流室内工质分区域流动和组合涡流动的原因,以及这一流动形式与涡流管制冷性能的关系.在此基础上,讨论了涡流室结构参数对制冷性能的影响.其结果表明,为获得较低制冷温度和较高制冷效率,涡流室直径应取1.5~2倍的热端管管径,涡流室高度为1/6.67~1/5.71倍的热端管管径,同时流道喉部截面宽度应使涡流室最小进气面积为热端管横截面面积0.233倍.     

强化热端换热对涡流管性能影响

涡流管内部能量分离导致的外层高温流体与内层低温流体的热量交换,影响了制冷效果.为此,基于对流传热原理,设计了一种强制冷却的涡流管结构,在涡流管的热端外加冷却水腔,通入循环水对涡流管外壁进行冷却.通过实验和数值模拟的方式,研究不同结构参数和操作参数下,冷却热端外壁面对涡流管制冷性能的影响.结果表明:与传统涡流管相比,强制冷却能够削弱外层热气对回流冷气的影响,提高涡流管的制冷性能.阿基米德螺线型喷嘴较直线型喷嘴的提升更明显,最大单位制冷量达到12.53 kJ/kg.在压比为2、3和4的条件下,强制冷却涡流管的制冷性能均有提升.强制冷却涡流管的单位制冷量随热端管长径比的增加而升高,等熵效率最高可以达到34.1％.     

进气温度及冷流率对涡流管制冷性能的影响

采用基于实际生产应用的涡流管模型，以空气为介质，模拟分析了不同进气温度和冷流率对涡流管制冷性能的影响，结果表明：冷流率一定时，涡流管的冷端出口温度、热端出口温度、制冷温度效应及单位制冷量均随进气温度的升高而增大，而制冷效率基本不受温度影响；在相同进气温度下，涡流管的制冷温度效应、单位制冷量及制冷效率都随冷流率的增大呈先增大后减小的趋势；存在一个最佳冷流率范围使得制冷温度效应、单位制冷量、制冷效率最大，但它们各自的最佳冷流率范围不同。     

一种电子散热用小型涡流管性能的试验研究

提出了一种应用于小功率电子散热的小型涡流管,设计建立了涡流管性能试验装置系统。针对进气压力P0、冷气流率μ对其冷却性能的影响进行了试验研究。试验结果表明,在P0=0．3—0．6MPa,μ=0．27—0．72范围内,涡流管的制冷效应及制冷量随P0的增大而增大,而制冷效率随P0的增大而减小;制冷效应、制冷量和制冷效率都随μ的变化而变化,且在μ为0—1的范围内都有极大值。     

空气制冷循环最优性能解析

通过建立单级空气制冷循环的量纲为一的热力学模型,推导出对应最优性能系数的压比公式,以及最优压比下的循环性能参数解析表达式.在此基础上针对不同的运行工况和转动部件效率,对循环性能进行数值分析,发现:高低温热源温差的增大,最优压比升高,最优性能系数下降,单位制冷量升高.提高转动部件效率,最优压比小幅降低,最优性能系数大幅升高以及单位制冷量大幅下降.同比之下,膨胀机效率对系统最优性能的影响更大.这些都有助于实际空气制冷系统的优化设计.     

涡流管流动结构及能量分离性能LDV实验研究

设计了直径为30 mm的可组装式透明涡流管以实现主流道可视化,并采用二维激光多普勒测速(LDV)技术得到子午面时均流场．研究了不同冷流比(0.1~0.9)、主流道长度(360、600、900和1 200 mm)、入口压力(0.01、0.02 MPa)下的轴向速度和径向速度分布,特别是折返流边界对能量分离性能的影响．LDV结果表明,时均轴向速度分布具有较好的轴对称性,不同压力下流动结构具有相似性,径向速度远小于轴向速度．增加冷流比会导致折返流边界径向膨胀,揭示了在过短管和过长管中两种能量分离恶化机制——过短管中折返流面过厚,过长管中轴向滞止点向冷端靠拢．该结果验证了以往所提出的优化准则,同时可以说明滞止点并不是涡流管中的一种基本流动结构．     

空冷式多级热电制冷器性能综合分析

多级热电制冷器可提供更大的制冷温差,但制冷经济性能随级数增大而迅速降低.综合考虑热电材料各种内部效应与外部传热不可逆性,建立了空冷式多级热电制冷器的有限时间热力学模型,给出了制冷量和制冷系数的计算方法.为全面描述和分析多级热电制冷器性能,引入热力学完善度指标,并提出协调性能系数性能评价指标,分析了制冷器工作电流、热电臂横截面积与制冷温差对制冷量、制冷系数、热力学完善度和协调性能系数的影响.结果表明：当制冷温差为87℃时,电流分别为2.55 A和1.30 A时,热电臂横截面积分别为2.2 mm²和3.0 mm²时,制冷量和制冷系数分别达到最大值.综合考虑制冷能力与经济性,当电流为1.75 A时,可获得制冷量、耗功与制冷系数的最佳协调性能.     

日光温室热湿环境作用下土壤-空气换热器动态换热特性的试验研究

针对土壤-空气换热器空气降温运行时的换热特性进行了试验研究,分析了入口空气温度和换热管长度对土壤-空气换热器出口空气温度和单位管长换热量的影响;并结合空气在换热管内的降温数据,采用非线性回归方法建立了换热管出口空气温度与入口空气温湿度、换热管长度、管内空气平均流速的函数关系式;并验证了其准确性。试验结果表明,换热管越长,管内流速越低时,出口空气温度越小,波动幅度也越小;土壤-空气换热器进出口空气温差与入口空气流速成反比,而单位管长换热量与入口空气流速成正比。当管内空气平均流速从4.5 m/s降至0.5 m/s时,进出口空气温差从3.97℃升至6.18℃,而单位管长换热量从11.59 W/m减至1.79 W/m。从增强土壤-空气换热器整体换热性能的角度考虑,管内最佳空气平均流速为5.9 m/s。研究结果对于土壤-空气换热器的结构设计优化和换热性能提高具有重要的理论和实际意义。     

关键部件对自由活塞斯特林制冷机制冷性能的影响

实验测试了两种不同丝网蓄冷器的流阻特性及其对整机制冷性能的影响,表明在低温下需要设计小空隙率,而在高温区需要设计大空隙率．通过改变冷头材料,实验测试了冷头表面温度的变化情况．比较了不同制冷量下两种冷头的表面温差,表明制冷量越大,冷头材料导热系数对两者表面温差的影响越大．通过粘贴排出器垫块,改变冷端死容积．分析了死容积对整机性能的影响,在200K温度以下,死容积越小,制冷性能越好,但在240K以上的高温区,制冷性能受死容积的影响较小．     

多孔窗制冷性能的计算分析

定义了多孔窗空调的有效和无效制冷量，确定了多孔窗制冷的效率与效能计算方法和多种性能指标，在不同的环境参数和结构参数下，对多孔窗制进行了比较全面的性能计算，通过对数值计算结果的分析，讨论了多孔窗的优化运行条件，提出了改进制冷性能的途径和措施。     

不同热端温度对低温热电制冷试验箱制冷性能的影响

为优化低温热电制冷试验箱的制冷效率及降低其冷热端温差,理论计算了热电制冷片热端温度为56.18℃和27.31℃时电流、电压、冷热端温差对试验箱制冷性能的影响。建立了三维数学传热模型,模拟了3种热电制冷片布置方式对制冷箱温度分布的影响。结果表明：当热端温度由56.18℃降至27.31℃时,低温热电制冷试验箱的制冷量由150.2 W降至139.5 W,制冷系数由4.41降至3.09,冷凝温度由-22.30℃降至-41.90℃。可见,热电制冷片热端温度的降低能够获得更低的冷凝温度,较高的热端温度拥有较好的制冷性能。     

半导体制冷技术的研究现状及发展方向

半导体制冷技术是一门以热电制冷材料为基础的新兴制冷技术.通过阅读大量文献,从热电材料、结构设计、冷热端散热方式3个方面对半导体制冷技术近年来的研究热点和成就进行了总结和论述,并指出了半导体制冷技术的发展方向.热电材料决定了优值系数Z,可以从根本上提高材料的制冷性能,但研究难度较大,发展缓慢;优化结构设计可以有效地提高制冷单元的实际性能系数,重点在于优化尺寸因子G和热电阻,缺点是实际加工工艺复杂;减小热电偶冷热端的温差有利于提高制冷量,可以大幅提高制冷系数,有效的散热方式是提高半导体制冷效率的重要因素.     

密闭空间分离式两级热电制冷器瞬态特性分析

基于有限时间热力学,建立了工作在密闭空间中的分离式两级热电制冷装置瞬态模型,给出了瞬态性能的计算方法,得到了制冷空间温度、模块温差、输入功率、制冷系数等随时间的变化规律．分析了热电制冷器的工作电流和热电臂长度等关键参数对制冷空间稳定温度、制冷量和制冷系数的影响,并与串联式两级制冷器性能进行了对比．结果表明：相比串联式两级热电制冷器,分离式制冷器的初始制冷系数提高了3.57%,无热源非绝热模型和有热源非绝热模型在300 s处制冷系数分别提高了5.72%和4.11%,空间温度分别降低了5.58%和3.09%;通过对工作电流的优化,无热源绝热模型和非绝热模型空间温度可分别降低至-29.03℃和8.98℃．     

喷嘴对锥形涡流管热分离影响研究

通过涡流管内部气体的流动分析,得到了喷嘴结构对涡流管热分离性能的影响关系,基于锥形涡流管进行了对比实验,实验验证了分析结果的正确性.实验结果表明:影响涡流管热分离性能的基本参数是喷嘴流道的总截面积,而非单个流道的截面积或流道个数.保持单个流道的截面积一定,当冷气流率较小时,流道个数越多对应制冷效应越大,而冷气流率较大时,结果相反.当冷气流率较小时,增加喷嘴流道的总截面积可获得更高的制冷效应,但制冷效率变化不大.分析表明:在本实验条件下当喷嘴流道总截面积与锥形涡流管截面积之比为0.153时,可同时获得较高的制冷效应和制冷效率.     

换热器温差场均匀性分析

结合顺,逆流换热器,对温差场的均匀程度进行了研究,提示了传热效能与温差场不均匀因子之间的关联式,该式的计算结果与有关文献数值计算的结果符合较好。在相同传热单元数和热容量流比的情况下,换热器的温差场越均匀,其传热效能越高,验证了温差场均匀性原则的正确性。     

结构参数对内联式脱液器分离性能的影响

内联式脱液器是一种基于离心力作用并利用气液两相之间密度差进行气液相间分离的紧凑、高效型气液分离设备,因其可以减小自重及节省空间,且可在平台及海底应用而受到越来越多的关注。建立了一组内联式脱液器的数值结构模型,采用计算流体力学(CFD)方法对其进行数值模拟研究。通过分析内联式脱液器内部的速度场及压力场分布情况,总结出影响内联式脱液器分离效率及压力损失的关键结构参数,包括叶片结构参数、分离腔长径比、气体出口管管径及深入长度、排液管管径等。同时,针对叶片结构参数(叶片数目及导向出口角)对内联式脱液器分离性能的影响,进行了数值模拟研究,推选出涡流发生器内最优的叶片结构参数(叶片数目为8,叶片出口角度为45°),从而可为后续内联式脱液器的结构优化、分离性能提升以及降低能耗提供一定的参考。     

前混合磨料水射流除鳞喷嘴混合腔内部流场

基于计算流体动力学多相流混合物模型,应用FLUENT软件对前混合磨料水射流除鳞喷嘴高压水与磨料混合腔内部流场进行数值模拟.比较了不同进料方式对流场均匀性的影响.分析了两侧为高压水入口条件下,磨料入口直径、高压水入口直径、高压水入口位置和角度以及收缩段锥角对流场混合均匀性的影响,得到了影响混合腔内部流场混合均匀性的合理结构参数.数值计算结果表明:入口速度一定的条件下,磨料中进式喷嘴混合腔的混合均匀性优于磨料侧进式喷嘴混合腔.随磨料入口和高压水入口直径增加,混合腔出口的射流速度均增加,但随高压水入口直径增加导致出口磨料浓度呈先增后减的趋势,磨料入口与高压水入口合理的质量流量比值约为3∶4,两侧高压水入口位置对流场混合均匀性影响较小,高压水入口角度和收缩段锥角均为30°时流场性能更佳.     

车用微小通道蒸发器制冷剂流量分配特性

以整体平行流微小通道蒸发器模型为基础,从进口管相对集管位置、出口管相对集管位置、扁管与集管相对组合高度三方面对四流程蒸发器流量分配问题进行研究,并引入分别表示这三种相对位置关系的量纲一参数P′in、P′out及H.计算结果显示当P′in=0.591,P′out=0.402,H=0.239时,制冷剂流量分配均匀性最好.综合考虑这三种结构参数的影响,得到一种优化结构,使得流量分配的均匀性大大提高,不均匀度S比初始结构减小20%.