带扰流柱阵的双层壁间隙冲击传热特性

数值模拟研究了带扰流柱阵的双层壁结构间隙靶面、冲击面以及不同位置扰流柱面努塞尔数详细分布,分析了各个表面努塞尔数平均值随冲击雷诺数的变化规律以及不同位置扰流柱面换热特性差别。结果表明,靶面努赛尔数的第二峰值大于滞止点处的努赛尔数。冲击面展向平均努赛尔数最大值位于靠近冲击孔的第2排和第4排扰流柱处。在5排扰流柱中,与冲击孔处于同一排(第3排)的扰流柱面平均努塞尔数最大,表现为翻卷汇流传热特性;第2排和第4排扰流柱面平均努塞尔数次之,表现为翻卷绕流传热特性。远离冲击孔的第1排和第5排扰流柱面平均努塞尔数最小,表现为绕流传热特性。冲击雷诺数从1×10⁴增加到6×10⁴,第3排扰流柱面和第2、4排扰流柱面以及第1、5排扰流柱面努塞尔数增幅分别为306%、325%和360%。     

蒸汽冷却带肋矩形通道流动和换热特性数值研究

为了阐明蒸汽冷却带肋矩形通道的换热增强机理,基于三维RANS方程和标准k-ω湍流模型,数值模拟了带肋矩形通道的流场和换热特性,研究了雷诺数、入口宽高比和肋间距对流动和换热特性的影响,进一步分析了努塞尔数与雷诺数、入口宽高比、肋间距之间的关系,由此得出带肋矩形通道的传热关联式。结果表明:肋片的存在破坏了较厚的换热边界层,增强了换热性能。雷诺数增大,平均努塞尔数、综合换热因子均增大,阻力系数小幅上升;宽高比增大,平均努塞尔数、综合换热因子均增大,阻力系数大幅上升;肋间距增大,平均努塞尔数增加,阻力系数先增后减,综合换热因子先减后增。所得传热关联式可为先进燃机蒸汽冷却叶片的设计提供参考。     

水平旋转圆筒表面对流传热和传质实验

采用微热偶式测温和测湿技术,分别对大直径水平旋转圆筒表面对流传热和传质特性进行了对比实验研究.实验数据验证了在圆筒表面对流传热和传质之间存在着良好的可类比性,即旋转对圆筒表面对流传热边界层温度场分布和局部努塞尔数的影响规律与旋转对传质边界层浓度场分布和局部舍伍得数的影响规律相似,但顺向侧和逆向侧之间存在着明显的差异;旋转对圆筒表面平均传热努塞尔数数和平均传质舍伍得数的影响规律也相似,都存在临界雷诺数.当旋转雷诺数小于或等于临界雷诺数时,平均努塞尔数和平均舍伍得数随旋转雷诺数的变化基本保持不变;当旋转雷诺数大于临界雷诺数时,平均努塞尔数和平均舍伍得数随旋转雷诺数的增大而增大.实验中还发现,由于传热和传质的边界层条件不同,热质交换共存时的临界雷诺数小于纯对流传热时的临界雷诺数.     

涡轮叶片厚壁带肋通道冷却性能的实验研究

基于10种不同结构空气冷却厚壁带肋通道的实验数据,分析了宽高比(0.25～4)、肋角(30°～90°)和雷诺数(10 000～60 000)对带肋通道流动及传热性能的综合影响,拟合得到了通道摩擦系数和壁面平均努塞尔数关于宽高比、肋角和进口雷诺数的经验关联式。结果表明:厚壁带肋通道摩擦系数随着宽高比和肋角的增大均大致呈现出升高的变化趋势;平均努塞尔数和综合热力系数随肋角的增大均表现为先增大后减小的分布趋势,随宽高比的增大表现为先增大后减小、再增大再减小的分布趋势。不同雷诺数时,壁面平均努塞尔数的最大值都大致出现在宽高比为1.75～2.75、肋角为55°～65°之间;最高的综合热力系数出现在宽高比约为0.75和2、肋角约为60°时。平均努塞尔数关联式的平均拟合偏差为6.96%,摩擦系数关联式的平均拟合偏差为12.75%。本文研究结果可为未来重型燃机叶片冷却结构设计提供参考。     

燃气透平叶片树状分形内冷微通道的换热特性实验研究

针对燃气透平叶片内部对流冷却特点,基于能量输运原理和分形几何理论生成了适用于叶片内部流体输运的分形网络,并设计了4级T型树状分形分叉微通道内冷结构。在建立的透平叶片内冷微通道对流冷却实验平台上,研究了通道进口雷诺数和加热功率对空气的努塞尔数、摩擦系数和强化换热因子的影响。结果表明:当雷诺数从194增大到19 400时,空气的平均努塞尔数增大148.5%,摩擦系数从0.78减小到0.009,最大强化换热因子在通道进口雷诺数为17 300时获得;加热功率从10 W增大到110 W时,平均努塞尔数降低35.9%,而摩擦系数几乎不变,加热功率为10 W时具有最佳的强化换热特性;分叉结构耦合共轭传热效应显著提高了第2、第3级微通道的当地努塞尔数;相比于前3级通道,末级通道的换热性能受雷诺数和加热功率的影响更为突出。     

圆台扰流换热器的流动与传热特性研究

针对换热器在高雷诺数下的结构强度问题,本文基于低流阻、高传热的球型结构提出一种新型的圆台扰流结构,并将其应用于交叉流换热器中。采用实验和数值模拟相结合的方法对圆台扰流换热器开展了研究,分析了雷诺数(Re=4 772～38 181)、温比(T_h/T_c=4～9)和流速比(V_h/V_c=0.5～4)对该换热器的流动性能、传热性能和不可逆损失的影响规律;通过数值计算对换热器冷气侧通道的流动和传热机理进行了分析,最后基于实验结果拟合了传热关联式。研究表明:圆台凸起的迎风面受到气流的冲击作用有较高的换热系数,而圆台凹坑在尾部呈现出较好的换热效果,雷诺数的增大会增加上述高换热区域的面积。在研究参数范围内,增大雷诺数使得换热器冷气侧通道的努塞尔数和摩擦系数较光滑圆管分别提高了1.67～2.13倍和5.13～12.16倍;温比和流速比对冷气侧通道内的流动和传热影响都较小。不可逆损失随着温比的增大而增大,但当雷诺数增大时,不可逆损失会有所降低;当流速比为2时,不可逆损失达到了极小值。拟合得到的准则式与实验结果较为吻合。本文研究结果可为未来先进空气换热器的结构设计提供参考和借鉴。     

进口雷诺数和湿空气含湿量对冲击冷却流动和传热特性的影响

为进一步探索湿化燃气轮机透平循环的叶片前缘冷却情况,分析了进口雷诺数和湿空气含湿量对冲击冷却流动和传热特性的影响。建立了带有进气室、单排圆形冲击孔和冲击冷却腔的冲击冷却模型,利用ANSYS CFX软件数值研究了进口雷诺数和湿空气含湿量对冲击冷却流动和传热特性的影响,总结了湿空气冲击冷却的流动和传热规律。在此基础上,对努塞尔数与冲击孔雷诺数和湿空气普朗特数进行关联式拟合,得到了湿空气冲击冷却的传热关联式。研究结果表明:冲击冷却的冷却性能随着进口雷诺数和含湿量的增大而提高;冲击射流冲击至靶面后沿着壁面向四周流动,并在冲击腔内形成复杂的流动涡结构;增大进口雷诺数能够显著增大冷气的涡量,提高换热靶面的换热强度;相同进口雷诺数下,干空气冷却和湿空气冷却换热靶面努塞尔数分布规律一致,但数值上湿空气冷却的略高于干空气冷却的,并且二者差异随着进口雷诺数的增大而增大;冷却工质的质量流量随着含湿量的增大而减小,换热靶面努塞尔数随着含湿量的增大而增大;拟合的传热关联式与数值计算的结果吻合较好,能够较好地预测湿空气冲击冷却的换热系数。     

燃机透平静叶尾缘柱肋通道内的汽雾/空气冷却流动与换热特性数值研究

基于通过提高燃气进口温度来提升燃气轮机热效率和增加出力的思想,采用ANSYS-CFX商用软件对模化的燃气轮机透平静叶尾缘楔形柱肋冷却通道中流动与换热特性进行了数值模拟,对比研究了冷却工质为空气和汽雾/空气时的冷却性能,以及不同的雷诺数和雾滴初始直径下雾滴在流动过程中的分布、努塞尔数、摩擦系数以及热力综合效率的变化情况。研究表明:雾滴初始直径越大、雷诺数越大,雾滴的流动距离越长;相同雷诺数条件下,相对于空气冷却,加入不同初始直径的雾滴可提高通道底面平均努塞尔数,换热效果强化越明显;底面平均努塞尔数的增幅与雷诺数和雾滴初始直径有关,为了达到最佳冷却效果,应考虑雾滴蒸发吸热和扰流两方面的影响;在冷却空气中加入雾滴后流动摩擦系数变化较小,综合考虑换热性能与流动阻力,加入汽雾可使热力综合效率最高提高26%。该结果可为燃机设计提供参考。     

纵掠管束湍流对流换热的数值实验及其关联式

对圆管内和纵掠管束的湍流对流换热分别运用k-ε模型和雷诺应力模型(RSM)进行了数值模拟.数值模拟结果表明,采用现有的管内湍流换热实验关联式近似计算纵掠管束对流换热的偏差较大.通过数值模拟研究了不同节距、不同雷诺数Re时纵掠管束的对流换热规律,给出了纵掠管束流动换热的努塞尔数Nu与Re的数值实验关联式.     

MPC轴流管壳式换热器的壳程局部传热性能

对一种具有并流多通道进出口结构(MPC)的轴流管壳式换热器的壳程局部传热性能进行实验研究,分别在有壳程进口段分布挡板与无分布挡板的情况下,探讨了进口段局部表面传质努塞尔数的分布、局部平均表面努塞尔数与管束位置及雷诺数的关系,分析了进口段和换热器整体的平均传质努塞尔数与雷诺数的变化关系,揭示了壳程进口段的局部表面努塞尔数的分布规律,并进行了机理分析.研究结果表明,分布挡板能够有效促进壳程流场的分布,提高换热器壳程的整体传热性能.     

冶金渣颗粒余热回收的实验研究

针对空气回收高温冶金渣粒余热存在的诸多问题,提出了采用自流床余热锅炉直接回收高温颗粒余热,用以生产蒸汽的技术路线.搭建了自流床余热锅炉换热实验平台,研究了换热管内水的雷诺数Re、渣粒流速和渣粒初始温度对余热锅炉换热特性的影响规律.通过实验发现:渣粒侧的换热热阻值为水侧换热热阻值的55~100倍,综合换热热阻的大小取决于渣粒侧换热热阻的大小,换热管内水的雷诺数Re对综合换热系数和热回收效率几乎没有影响;随着渣粒流速和渣粒初始温度的提高,渣粒换热系数和热回收效率均逐渐增加.     

撞击流吸收器中铁系脱硫剂运动特性的CFD研究

通过采用Fluent软件中的RNGk-e模型和DPM模型对铁颗粒运动特性进行了三维数值模拟．研究结果表明,铁颗粒在撞击区和加速管内减幅振荡运动且运动场与气流场都关于撞击面呈对称分布;铁颗粒平均停留时间随空气进口速度的增大而增加,随铁颗粒直径和加速管间距的增大而减少．数值计算结果与试验数据基本一致,为进一步优化和改进撞击流脱硫吸收器的设计提供了有价值的基础数据和理论依据．     

新型旋流分离一体机的分离性能分析

针对旋流器无法对粒径在10 μm左右的固相颗粒进行有效分离的问题,提出了一种过滤分离与旋流分离相结合的新型结构,并对内部流体速度场、压力场的变化和空气柱的稳定性进行了数值分析,对过滤介质的过滤通量和分离效率进行了实验研究.发现在相同操作参数和结构参数下新型旋流分离一体机具有更稳定的内部流场,内部速度、压力降更大,当粒径大于5 μm后旋流分离一体机的分离效率迅速提高,在10 μm 左右的固相颗粒的分离效率能够达到65%~85%,而实验所用普通旋流器的分离效率在60%以下.     

基于PIV技术的钢包临界卷渣行为水模型研究

基于粒子图像测速( particle image velocimetry, PIV)技术,通过水模型研究临界卷渣条件下卷渣过程和钢包流场特征,解析临界卷渣从发生到结束的整个过程卷渣处流场速度的变化情况,并定量分析炉渣运动黏度对临界卷渣速度的影响。将临界卷渣速度的实验检测值与传统理论计算值进行比较和讨论。研究结果表明：临界卷渣过程从开始到结束可细分为八个不同阶段,卷渣处流场速度变化在这八个阶段中先增大后减小再增大;炉渣运动黏度对卷渣具有重要影响,炉渣运动黏度越大,临界气量和临界卷渣速度越大,并且临界卷渣速度与炉渣运动黏度的关系更具线性相关性。实验拟合得到炉渣运动黏度与临界卷渣速度的关系式。最后根据传统理论计算模型和实测结果提出实验条件下修正的临界卷渣速度表达式。     

高温气流干燥氧化铝对流传热传质分析

基于两相流理论,提出了一个描述含湿氧化铝颗粒气流干燥过程的一维数学模型.模型考虑了干燥管内气固两相间的传热和传质、气固两相温度和含湿量的变化.利用Bird等所提出的努赛尔数经验公式对该气流干燥模型进行了数值计算,得到了含湿氧化铝颗粒在不同气流干燥条件下的干燥曲线.整个干燥过程的数值模拟结果与实验数据吻合得很好,可以用来预测含湿氧化铝颗粒的干燥湿度.另外,对固气比、气流温度以及气流速度对颗粒湿度沿干燥管高度变化的影响也作了计算和分析,结果表明固气比和气流温度对颗粒湿度的变化影响较大.低固气比、高气流入口温度,干燥过程颗粒湿度变化大,有利于颗粒干燥.而气流速度对颗粒湿度变化的影响则可忽略不计.     

应用格子 Boltzmann方法直接数值模拟研究钢中夹杂物上浮及碰撞行为

采用格子Boltzmann方法对钢液中夹杂物上浮及上浮过程中的碰撞行为进行直接数值模拟研究。结果表明,不同尺寸夹杂物颗粒上浮速度的模拟结果和理论值基本一致,表明本文所采用的数值算法能够精确有效地对钢液中固相夹杂物颗粒运动行为进行研究。当钢液中直径为80μm的夹杂物颗粒位于直径为40μm的下方并一起上浮时,直径为80μm的夹杂物颗粒会逐渐追赶上直径为40μm的夹杂物颗粒并发生碰撞形成大尺寸凝聚体,凝聚体的上浮速度显著大于二者单独上浮时的上浮速度。对于直径为40μm的夹杂物来说,形成凝聚体后的上浮速度比单独上浮时的上浮速度增加300%。实际炼钢过程中,采取必要的措施增加夹杂物颗粒之间上浮过程中的碰撞凝聚,对于提高夹杂物颗粒的上浮速度,尤其是小尺寸夹杂上浮去除速度,提高钢液的洁净度具有重要的意义。     

金属微粒与电极碰撞恢复系数的理论和实验研究

金属微粒是降低气体绝缘金属封闭输电线路(GIL,gas insulated transmission lines)绝缘强度的关键因素之一,研究金属微粒与电极的碰撞恢复系数可为微粒陷阱等金属微粒抑制措施提供理论基础。基于弹塑性变形理论,给出了法向恢复系数和切向恢复系数计算公式,并通过碰撞恢复系数测量平台研究了微粒材质特性、微粒直径以及碰撞速度对碰撞恢复系数的影响规律,实验测量结果验证了理论计算公式的可靠性。理论计算和实验测量表明:按金属材质铝、铜、钢的顺序,法向碰撞恢复系数逐渐减小,切向碰撞恢复系数逐渐增大;法向碰撞恢复系数和切向碰撞恢复系数均与微粒直径呈负相关;同一斜碰撞角度下,法向碰撞恢复系数随碰撞速度的增加而减小,切向碰撞恢复系数随碰撞速度的增加先减小后增加,并且不同斜碰撞角度下的法向碰撞恢复系数或切向碰撞恢复系数变化规律类似。文中关于碰撞恢复系数的计算方法可为微粒陷阱等工程设计提供理论支撑。     

烧结多孔壁面发汗冷却换热的实验研究

为开发有效的热防护技术,分别采用均匀青铜颗粒和不均匀青铜颗粒烧结而成的多孔板作为实验段,对平板发汗冷却进行了实验研究。实验结果表明:发汗冷却能有效地减少壁面和高温流体之间的换热;颗粒直径越小,相同条件下的冷却效果越好,但是需要的压降越大;在相同的压降下,不均匀颗粒多孔板中,直径大的一侧压阻小,相当于增大了注入率,因此壁温下降幅度更大。合适颗粒直径的选择与孔隙率、压降和强度的要求有关。     

加压循环流化床气固流动特性实验研究Ⅱ:气固滑移特性

针对加压煤燃烧、气化和化学链燃烧的发展需求,建立了一种上升管内径为0.068 m、高5.2m的加压循环流化床冷态实验装置,研究了不同操作压力(0.1 ～0.5 MPa)下,平均粒径为137 μm、密度为2 490 kg/m3的Geldart B类颗粒的气固滑移特性.实验结果表明,在固体通量和状态表观气速一定的情况下,随操作压力的增加,上升管内颗粒的表观滑移速度和表观滑移因子逐渐减小,但并未对上升管内的气固滑移特性造成本质影响.与常压情况类似,加压下表观滑移速度、状态表观气速和表观颗粒体积分数之间存在显著的相关性.无量纲滑移速度随表观颗粒体积分数的增加呈幂函数型增加,表观滑移因子随无量纲滑移速度的增加呈指数型增加.     

寒冷地区空气冷却型PV/T系统性能模拟分析

针对冷却通道位于光伏板上侧的空气冷却型太阳能光伏光热(PV/T)系统,采用验证后的数值模型模拟研究冷却通道长度、高度及空气入口流速等设计参数对系统性能的影响.结果表明:在寒冷地区夏季典型日工况下,随着气象参数的变化,最佳空气入口流速范围为0.8~3.2 m·s^-1,对应的系统效率变化范围为14.61%~15.24%.