水平管内非共沸混合物R50/R170两相流摩擦压降实验

开展了非共沸混合物R50/R170在管内径为4 mm的水平管内两相流摩擦压降实验研究.实验测量的压力范围为1.5~2.5 MPa,质量流率范围为99~255 kg m~(-2)s~(-1),干度范围为0~0.9,R50/R170混合物的初始浓度组分比(摩尔分数)分别为0.27:0.73,0.54:0.46和0.7:0.3.分析了质量流率、饱和压力、干度和浓度组分对摩擦压降的影响,结果表明浓度组分对摩擦压降的影响主要是由气相密度差异造成的.将所获得的实验数据与20个经典两相流摩擦压降关联式进行对比分析,得到Friedel的关联式对本实验数据预测最好,其平均绝对相对偏差为19.26%,且有87.45%的数据点在±30%的平均相对偏差范围内.     

非均匀热流下R245fa/R134a两相流型及换热特性

针对有机工质在非均匀热流边界条件下的气液相变问题,基于质量分数配比为0.7:0.3的非共沸工质R245fa/R134a,建立了非均匀热流下10 mm内径水平管内的两相流动沸腾换热实验系统.实验工况为质量通量175～373kg/(m~2s),热流密度9.95～47.57 kW/m~2.利用高速摄像仪和图像处理技术,对观察到的泡状流、塞状流、分层流和环状流4种流型进行了灰度值分析,并分别绘制了非均匀加热和均匀加热时的流型图.基于流型分析了干度、质量通量、热流密度和饱和温度对两相换热系数的影响,并将实验数据与4种现有关联式进行对比.结果表明,在相同的加热量下,相比于均匀加热条件,非均匀加热条件下流型由间歇流转变为环状流时的初始干度更低;换热系数在低干度区随干度变化较小,而在干度较高的环状流区域随干度增大而增大.此外,换热系数随质量通量、热流密度增大而增大,而饱和温度对对流沸腾区换热系数的影响不大,对核态沸腾区有一定影响.在非环状流区域4种换热关联式的预测能力都表现较差,而在环状流区域SunMishima关联式的预测精度相对最高.     

微孔膜管显著强化R123冷凝传热

新能源和低品位能源利用需要高效相变换热器,将微孔膜插入管内(以下简称调控管)可提高近壁区质量含气率,从而显著强化传热.本文进行了R123在水平管内的冷凝传热研究,比较了光管与调控管的冷凝传热特性.研究表明,微孔膜管可显著强化冷凝传热.在实验参数范围内,强化传热因子EF达到1.118~2.124,综合评价因子PEC在0.71~1.66的范围内,大部分实验工况的综合评价因子大于1.当实验段出口为气液混合物时,强化传热因子EF随入口蒸气质量流速Gxin的增大而增大.当实验段出口为过冷液体时,强化传热规律与之相反.通过可视化图像及管内压力和速度分布的讨论,本文分析了微孔膜管冷凝传热强化机理.     

低压蒸汽滴状冷凝中液滴脱落滞后效应

利用界面结构效应实现蒸汽滴状冷凝对能源动力系统的高效化和集成化具有至关重要的作用.深入认识液滴动态特性对传热性能的影响有利于探究低压蒸汽冷凝中传热控制机理和研发高效紧凑的传热强化技术.本文系统地研究了蒸汽滴状冷凝中液滴脱落特性,提出了低压蒸汽冷凝液滴脱落滞后效应.随着蒸汽压力降低,冷凝液滴黏度增加,引起自身脉动特性下降,接触线移动受阻,接触角滞后现象明显,导致脱落尺寸明显增加而脱落速度大大降低.与常压蒸汽冷凝中液滴的快速启动连续下落不同,低压蒸汽冷凝中液滴长至脱落尺寸后表现出了"阶跃式"下落的现象,即液滴脱落滞后效应.在液滴整个生命周期中,低过冷度时液滴生长速度控制着传热过程,而高过冷度时液滴脱落滞后延缓了表面更新,降低了有效换热面积,成为了控制传热过程的因素.通过液滴脱落效应解释了传热通量随过冷度非线性增加现象的内在机理,明晰了蒸汽冷凝传热控制机制,为低压蒸汽冷凝传热强化指明了方向.     

R600a水平管内两相流型转换及摩擦压降特性

R600a作为天然工质,因其环境友好性和出色的制冷能力在欧美国家得到大范围推广,被用作可替换制冷剂之一.R600a两相流型转换和摩擦压降的精确预测对制冷系统的设计和优化具有重要参考意义.针对这个问题,开展了在内径为6 mm的水平管中R600a的两相流型以及摩擦压降的实验研究,实验工况为饱和温度282.4~304 K,质量流率范围67~194 kg/(m~2 s).实验中利用高速摄像仪,观察到塞状流(plug flow)、层流波动流(stratified-wavy flow)、弹状流(slug flow)、环状流(annular flow)4种流型,并绘制流型图,将流型图与文献中经典的I/A流型转换曲线进行比较.在综合考虑了气体惯性力、液体的黏性力和液体的表面张力对流型转换的影响,引入修正后的韦伯数We~*,提出了新的流型转换曲线关联式.同时基于环状流和非环状流的流型划分,对摩擦压降分区变化进行针对性的讨论,发现摩擦压降在不同的流型区呈现出不同的变化规律.将摩擦压降实验值与9种摩擦压降关联式进行对比,结果显示Gr?nnerud关联式和Muller-Steinhagen Heck关联式分别能够较好预测非环状流和环状流的两相摩擦压降.     

沸腾与冷凝传热及强化

正沸腾与冷凝传热是伴随有巨大汽化潜热吸收和释放的相变对流传热,与无相变对流传热相比,其换热系数具有数量级的差别,是一种非常高效的传热方式.沸腾包括池沸腾和流动沸腾,而冷凝包括膜状冷凝和珠状冷凝.沸腾与冷凝传热在众多的工业过程中均有广泛的应用,如航空航天、电子工业、化工、机械制造、食品     

转角正方形管束降膜蒸发时的传热温差损失

实验测量并获得饱和蒸汽水平方向流经铝黄铜管管束的压降数据,基于实验数据拟合出来的压降系数,以转角正方形排列的管束为物理模型,计算水平管束降膜蒸发时压降造成的传热温差的变化,分析饱和温度、喷淋密度和管列数等对传热温差损失的影响.在管束排列方式一定、蒸汽流量相同下,计算结果表明,传热温差损失随喷淋密度的增加而增大,喷淋密度为0.02 kg/(m s)时的传热温差损失值约是0.08 kg/(m s)时的一半;饱和温度越低,传热温差损失越大,50℃条件下的传热温差损失值约是70℃时的3.5倍.计算还表明,当管束为转角正方形排列时,传热温差损失随管列数的增加呈抛物线型升高.     

有限通道内蒸汽射流凝结压力振荡强度特性

蒸汽喷射器是一种汽液直接接触换热设备,具有体积紧凑、换热强度大等优点,在现代工业中有着很好的应用前景.但是,由于其混合腔内汽相与液相直接接触凝结过程的不稳定性,会造成装置运行时产生较大的噪音和振动,不仅形成环境污染且危害设备安全,限制了该装置的进一步推广.本文针对有限通道内蒸汽射流凝结所引起的压力振荡特性进行实验研究,揭示噪音与振动产生的机理,为蒸汽喷射器的设计与运行提供实验指导.实验获得了进汽质量流率150~600 kg/m~2 s、进水质量流率6×10~3~18×10~3 kg/m`2 s、进水温度15~40℃下通道内的动态压力信号,同时采用高速摄像机捕捉汽液相界面的行为和凝结流型.结果表明:根据汽液相界面的行为特征可以将流型分为两大类——不稳定流型和稳定流型.对通道内动态压力的振荡强度特性进行研究,发现随着进水质量流率增加,压力振荡强度在稳定流型区变化不大,但是在进入不稳定流型区以后迅速增大;随着蒸汽质量流率增加,振荡强度在不稳定流型区内逐渐增加,进入稳定流型区后迅速降低,然后在稳定流型区内再次增加;随着过冷水温度的升高,振荡强度在整个流型区域内缓慢增加.     

矩形微槽道平板热管流动与传热特性可视化

以去离子水为实验工质,通过可视化研究方法,探索矩形微槽道平板热管内的流动传热机理.通过对多种工况下平板热管性能的对比,重点探讨了槽道结构和充液率对平板热管内相变现象与传热特性的影响.研究结果表明,不同槽道尺寸下,平板热管的热阻变化规律存在明显差异.低充液率下,随加热量增大, G-400热管热阻呈现先减小后增大的趋势.而在不同的充液率下, G-800热管热阻随加热量增大逐渐减小.在不同槽道尺寸和充液率下,蒸发端相变行为主要包括液膜蒸发和连续气泡生成两种方式.此外,冷凝传热不仅发生在气液界面处,还发生在槽道肋片顶面处,并形成稳定的周期现象.     

螺旋通道内流体流动与传热特性研究进展

螺旋通道是提高流体传热及传质效率的重要结构,以其节省空间及易于加工的特点被广泛应用.而通道内流体的流动和传热特性作为评价螺旋通道的重要性质,对其实际应用具有重要的指导意义,成为近年来的研究热点.而研究重点主要集中在螺旋通道的结构参数和流动工质两个方面,本文对螺旋通道内流体流动与传热特性研究进行综述,总结了螺旋通道结构及流动工质对其性能的影响规律;具体分析了螺旋通道直径、管径、螺距、截面形状等结构参数以及流动工质种类、浓度等物性参数对其传热系数和流动阻力的影响;对比了层流及湍流状态下实验和数值模拟结论;为螺旋通道结构优化及工质选取提供了参考,并且展望了螺旋通道内流体流动及传热特性研究的发展趋势.     

倾斜超疏水管外滴状冷凝液滴特性的可视化

含不凝气的混合蒸汽冷凝广泛存在于化工、石油、电力和海水淡化等领域.在空气环境下超疏水表面具有较大的接触角,有可能实现冷凝强化传热的目的.但在纯蒸汽冷凝环境中,液滴会完全润湿超疏水表面的微纳结构,使表面的超疏水性"失效".而在含不凝气的混合蒸汽冷凝过程中,若不凝气充满超疏水表面的微纳结构,液滴呈Cassie或过渡态润湿模式,保持或部分保持表面的超疏水特性.对于倾斜表面,冷凝液滴的脱落直径和冲刷周期都会发生变化,进而影响冷凝传热.因此,深入认识混合蒸汽在不同倾斜角的超疏水竖管表面上的冷凝特性,分析液滴的运动特性,对探究冷凝机理和研发先进强化传热技术有重要意义.本文利用氧化刻蚀-自组装的方法制备了紫铜管超疏水表面,系统地研究了不同倾斜角度时混合蒸汽冷凝过程中液滴的接触角滞后、临界脱落直径以及冲刷周期,并与纯蒸汽、疏水表面的情况进行了对比.结果表明,在铜管顶部(沿铜管圆周方向),超疏水表面冷凝时接触角滞后小于疏水表面,而在铜管中部和底部超疏水表面的接触角滞后则较大;在超疏水表面条件下,液滴的脱落直径随着倾斜角度的增加而增大;冷凝液对超疏水表面的冲刷周期均大于疏水表面,且随着倾斜角增加,冲刷周期略有减小.     

垂直相分离冷凝管内气泡泄漏机理

提出相分离冷凝管在管内悬空布置微米级金属丝网,形成"气贴近管壁,液在中心"的流动结构,在管壁形成超薄液膜,显著提高管内冷凝换热系数.然而,相分离冷凝管内气泡向丝网中的泄漏,可能影响冷凝传热强化.为避免气泡泄漏,本文基于杨-拉普拉斯方程,通过考虑惯性力、黏性力及冷凝管内特有的脉动流等因素,提出相分离管内气泡泄漏的理论判别式,发现气泡泄漏主要取决于无量纲参数G*与We数;利用VOF方法发展了相分离结构中两相层流流动的数值模型.对气泡泄漏现象进行数值分析,结果表明,气泡泄漏出现在气泡顶端,与实验吻合良好;通过对比不同G*与We数下气泡运动规律,获得了气泡泄漏临界曲线,确定了气泡泄漏理论判别式中的待定参数,最终给出垂直相分离管内气泡泄漏临界判别表达式,为相分离冷凝管的设计及运行提供了理论依据.     

高速列车制动盘表面对流传热特性

随着列车运行速度的提高,动能急剧增加,制动时产生的热能也大大增加,巨大的制动热负荷使制动盘产生很大的温度梯度,因此制动盘在表面对流换热系数的大小,直接影响制动盘制动过程中的散热程度.如果制动盘各表面散热不好,则容易发生制动失效和热裂纹等.本文通过萘升华传热传质比拟原理,通过实验得到制动盘表面的平均Nu与Re?之间的关联式:Nu=0.0067Re?0.814,还得到制动盘表面的Nur/Nu比值与r/R之间的关联式:Nur/Nu=0.709(r/R)?0.380,为准确分析制动盘在制动过程中的传热提供依据.     

最小热阻原理在组合式相变材料蓄热过程优化中的应用

最小热阻原理为近年来火积理论中所提出的传热过程优化的新方法.本文基于最小热阻原理对组合式相变材料蓄热过程进行了优化.通过变分原理,获得了组合式相变材料最佳融化温度的通用表达式.在此基础上,进一步研究了相变材料数对火积耗散热阻和蓄热性能的影响,探讨了最小热阻原理用于组合式相变材料蓄热过程优化的可行性.定义了组合效率,考察了传热单元数和热容流率对火积耗散热阻的影响.结果表明,组合效率随相变材料数的增加逐渐提高,火积耗散热阻随传热单元数和热容流率的增加逐渐降低其提高与降低的幅度均逐渐减弱,该研究为组合式相变材料的遴选以及流动和结构参数的设计提供了理论指导.此外,基于最小热阻原理的优化分析,提出了相变蓄热过程的温差场均匀性原则,为组合式相变材料的优化提供了一种新的优化标准.     

部分压扁槽道热管实验研究

针对11种不同压扁形式的小型轴向槽道热管进行实验研究, 分析了压扁形式、压扁厚度和工作温度对轴向温度分布、热阻、极限传输功率以及蒸发段和冷凝段的相变换热系数的影响. 实验研究表明, 各种形式的槽道热管在正常工况下, 均可以保持良好的等温性. 热管的几何结构对极限传输功率的影响较明显. 对于蒸发段2 mm厚的热管, 冷凝段厚度从2 mm增加到3 mm, 极限传输功率增加81%; 而对于蒸发段厚度为3 mm的热管, 冷凝段厚度从2 mm增加到3 mm, 极限传输功率增加134%. 对于冷凝段4 mm厚的热管, 蒸发段厚度从2 mm增加到3 mm, 极限传输功率增加26%. 蒸发段厚度每增加1 mm, 极限传输功率增加9%~26%, 而冷凝段厚度每增加1 mm, 极限传输功率增加20%~86%. 冷凝段厚度对热管传热性能的影响要比蒸发段厚度大. 本文的研究内容对了解槽道热管传热性能及电子热设计过程将会有所帮助.     

穿孔丁胞与纵向涡复合H型翅片表面的酸冷凝和传热特性

酸冷凝速度是影响酸腐蚀的重要因素,降低酸冷凝速度能够有效地减轻壁面腐蚀,增强设备安全性.本文采用数值方法研究了换热器中翅片管的酸冷凝沉积特性和传热特性,在酸冷凝数值模型中,同时考虑气液平衡理论和多组分扩散影响.基于H型翅片椭圆管,提出3种新型翅片结构来增强传热和降低酸冷凝速度.通过研究相关参数(烟气温度、酸蒸气浓度、水蒸气浓度和雷诺数)对不同翅片表面的影响,结果表明,新型结构翅片管束能够有效提高传热和抑制酸冷凝的综合性能.     

湍流换热的场物理量协同与传热强化分析

在层流换热场物理量协同原理的基础上, 针对湍流零方程模型和k-ε 两方程模型, 建立了湍流换热的能量和动量协同方程, 揭示了湍流换热流场中热流、质量流与流体流动驱动力之间的协同关系及其所反映的强化传热机理, 将强化传热的场物理量协同原理由层流延展到湍流. 通过圆管内置旋扭式螺旋片的强化传热计算分析, 证明了湍流换热场物理量协同原理具有普遍性. 因此, 根据湍流换热流场的物理量协同关系, 可对各种不同的管内强化传热元件和表面的换热性能和流动阻力进行分析比较, 从而为提高传热单元或换热器的综合性能提供理论和设计依据.     

丝网型超薄热管结构参数影响的实验探究

随着电子器件朝着高性能化、集成化与微型化方向的快速发展,狭小空间内高热流密度的散热问题亟待解决.超薄热管作为相变传热元件,具有超高导热率和器件结构紧凑等优点,因此被广泛应用于微型电子器件的散热中.不同的电子元器件具有各不相同的器件结构与散热需求,因此超薄热管在实际应用中也存在各种各样的器件结构.在本课题组对丝网型超薄热管中丝网吸液芯结构参数(目数、丝径)对其传热性能影响的研究基础上,为迎合实际应用中散热部件结构多样化的要求,本研究选取了对超薄热管传热强化效果最优的丝网结构作为吸液芯,通过实验手段,进一步探究了超薄热管的器件结构(包括长度、宽度和厚度等)对其传热性能的影响规律.结果表明,器件长度对超薄热管性能的影响存在一个相互矛盾的因素,故存在一个最佳的长度值使得热管具有最优的传热性能.此外,器件宽度和厚度的增加,都可以不同程度地提升热管的工作性能.最后,基于实验数据,建立了可有效预测超薄热管工作性能的经验关联式.对比超薄热管蒸发端温度的预测值与实验值,发现其相对误差可控制在±10%以内.     

有限容积法与格子Boltzmann方法耦合模拟传热流动问题

自然界和工程领域中的许多物理现象的发生通常涵盖几个数量级的几何空间及时间范围, 我们将其统称为多尺度物理现象. 在模拟多尺度问题时, 如果仅采用宏观方法, 则会存在一些不足, 如无法预知微小部分的细节以及引入复杂的经验关联式; 如果仅采用介观/微观方法, 则需要消耗大量的计算资源. 构造宏观-介观、宏观-微观、宏观-介观-微观等多种层次上方法的耦合体系, 可以在很大程度上克服这些不足. 构造了宏观有限容积法(FVM)与介观格子Boltzmann方法(LBM)的耦合模型(CFVLBM), 给出了由宏观物理量重构密度分布函数和温度分布函数的两个重构算子, 解决了LBM与宏观方法耦合的关键难题. 选取二维、三维典型传热流动问题对耦合模型进行了考核, 计算结果同基准解符合得很好. 最后将CFVLBM应用于计算多孔介质内的复杂流动问题. 研究表明, 基于文中重构算子的CFVLBM可以准确有效地应用于模拟传热流动问题.     

板式热交换器能效评价方法

热交换器内的冷热流体实现热量传递需要消耗泵功.如何科学定量评价其能源效率,是学术界和行业都迫切需要解决的问题,对提升工业节能减排有重要意义.本文通过理论分析热交换器水水无相变流动与传热综合特性,提出了一种能效评价指标EEI(=k/?pn,总传热系数k与压力梯度?p).EEI反映了热交换器的固有能效属性,代表热交换器消耗单位折合流动压降获得的传热系数.当温差与流体流量相同时,对于相同换热面积和相同流体流动长度的热交换器而言,能效指标EEI越大,消耗单位折合泵功获得的热流量越大.换热面积变化对能效指标无影响,通过合理选取指数n,可使EEI与流速无关或为弱相关关系.能效指标具有良好的稳定性,依据性能测试国标获得的热交换器能效评价结果可以代表热交换器的能效水平.结合板式热交换器水水无相变流动传热性能数据库,得到了该类热交换器能效评价指标的指数n,以及行业总体的能效指标分布,为划分板式热交换器能效水平提供了依据.