加装螺旋导流板的双层铜管换热器传热性能分析

为提高螺旋铜管(SCT)换热器的综合传热性能,通过在换热器内加装螺旋形导流板,采用双向流固耦合计算方法,分析了不同入口流速和导流板安装位置下对换热器内部双层SCT的振动和传热性能的影响。数值结果表明:双层SCT换热器外层SCT的振动强度明显高于内层;无振动时内层SCT的传热系数高于外层,有振动时外层SCT的传热系数高于内层;随着入口流速增加,内外层SCT的振幅均增大,传热系数提高;导流板的安装位置会直接影响SCT的振动和传热特性,且在SCT呈现最大振动强度和最佳传热性能时的安装位置并不相同;对比振动强化传热参数Q PEC和综合传热性能因子R JF发现,双层SCT换热器的Q PEC和R JF均高于单层,两螺旋导流板分别安装在换热器的左、下位置时,Q PEC最大,安装在换热器的左、上位置时,R JF最大且比安装在左、下位置时最高增大了7.99%。该研究可为高性能SCT换热器的设计提供理论和数据支撑。

旋流条件下螺旋弹性铜管振动强化传热性能分析

为了充分利用流体诱导螺旋弹性铜管(helical elastic copper tube,HECT)振动增强传热,以获得更高综合传热性能的HECT换热器装置,基于安装正向螺旋引流板的螺旋弹性铜管(helical elastic copper tube-forward spiral baffle,HECT-FSB)换热器和逆向螺旋引流板的螺旋弹性铜管(helical elastic copper tube-reverse spiral baffle,HECT-RSB)换热器,采用双向-流固耦合法,研究了旋流条件下入口流速(U_(in))对HECT振动强化传热性能的影响。研究表明:U_(in)在计算范围内增加,HECT的振幅增大、传热系数提高,HECT换热器的进出口压降增大、PEC(performance evaluation criteria)值减小;HECT-RSB换热器的HECT振幅和传热系数、进出口压降明显高于HECT-FSB换热器。HECT-FSB换热器的PEC值高于HECT-RSB换热器,振动强化传热性能更佳,当U_(in)=0.3 m/s时,PEC值高出了9.00%。HECT-RSB换热器的综合传热性能因子JF值最大,综合传热性能最佳,与已发表文献中的换热器相比,U_(in)在计算范围内综合传热性能因子JF值平均提升了2.7%。该研究可为HECT换热器装置综合性能的提升提供技术支撑。

小管径开缝翅片管式换热器空气侧传热综合性能研究

为了探究翅片间距P_(f)和相对开缝高度S_(h)/P_(f)对翅片管换热器空气侧传热与阻力特性的影响,以5 mm小管径百叶窗式开缝翅片管换热器为研究对象,利用CFD耦合传热数值模拟并结合对流传热综合性能评价准则进行分析。研究结果表明:在P_(f)=1.30~1.50 mm范围内,空气侧Nu和阻力系数f均随P_(f)的增加而减小;在Re=457~2907范围内,S_(h)/P_(f)对开缝翅片管换热器传热性能的影响与Re有关,减小S_(h)/P_(f)可以改善空气侧阻力性能和对流传热综合性能;当Re<1300时,随着P_(f)的增加,对流传热综合性能先增加后减小,P_(f)=1.40 mm,S_(h)/P_(f)=0.40时,对流传热综合性能可达到最佳;当Re>1300时,增加P_(f)有利于提高综合传热性能。

湿工况下带翼翅片管传热传质特性的数值研究

采用壁面反应原理建立冷凝传热模型,模拟研究平直翅片管、矩形翼翅片管以及弓形翼翅片管的通道内湿空气流动及传热传质特性。结果表明:当湿空气入口温度为328 K,水蒸气质量分数为11.2%时,矩形翼翅片管和弓形翼翅片管的传热因子相比于平直翅片管分别提高了24.9%—35.7%、26.7%—36.4%,传质因子分别提高了24.1%—35.4%、25.9%—38.3%,但矩形翼翅片管和弓形翼翅片管通道内工质的流动阻力系数分别增加了19.4%—25.3%、16.8%—22.9%,说明了矩形翼和弓形翼均可提高翅片管的传热传质特性,但也造成了阻力损失的增加。通过对综合传热性能评价因子的分析,矩形翼翅片管和弓形翼翅片管的综合传热性能评价因子值均>1,其综合传热性能均优于平直翅片管,且弓形翼翅片管综合传热性能最优。

管内中心多股射流轴向间距对传热性能影响的模拟研究

提出了一种沿轴向等间隔排布的由中心射向管壁的多股射流管式反应器,利用数值模拟方法研究了射流轴向间距(l)对反应器内传热性能的影响。实验结果表明,圆形管道内中心多股射流能够显著提高Nu和综合传热性能评价因子(PEC);射流分布区域恒温壁面局部Nu沿流向呈波状分布,极大值位置与射流管分布位置基本对应;周向局部Nu的波峰(极大值)均位于射流管所处的方位,l和流速比影响极值大小。在射流管总数不变的情况下,增加射流管l会提高反应器芯管长度范围平均Nu,但射流管区域范围的平均Nu会有所下降。

Ross LPD型静态混合器内湍流传热与混合强化特性

在湍流状态Re=2640~17600下,采用恒热通量传热实验与数值模拟相结合的方法,系统研究Reynolds数Re和交错角对Ross LPD型静态混合器内湍流流动与传热性能影响,采用Nusselt数、Darcy摩擦系数、综合传热系数、速度场与温度梯度和压力梯度协同角等参数评价混合器内传热强化性能;基于CFD与LPT相耦合分析混合器内流体微元拉伸率。研究结果表明:SST k-ω模型预测Ross型静态混合器湍流阻力及传热结果与实验结果具有很好一致性;Ross混合器流场内形成与流场尺度较为接近的纵向涡,其涡心在圆形截面与半圆形截面中心间周期性迁移,横截面内湍流分散混合效率是Kenics的3.36~1.72倍;当Re>7040时,Ross LPD综合传热性能明显优于KSM;当叶片夹角为30°时,综合传热性能系数具有最大值;Ross LPD内插件具有高效低阻的技术优势和结构改进潜力。

外凸式波节管结合内插扭带复合强化换热性能分析

针对一种新型的外凸式波节管结合内插扭带(CT)的流动与传热特性进行了RNGk-ε数值模拟研究。数值结果与实验结果进行了对比,验证了数值模型的精确性。将CT和传统的光管结合内插扭带(ST)的流动与传热特性进行了对比研究,揭示了其复合强化换热机理。结果表明CT相比于传统的ST,传热性能以及综合传热性能最多分别提高1.48和1.3倍,并且在低Reynolds数时提高得更加明显。CT在波节与扭带的间隙区域形成了脱体涡旋,破坏了近壁面的热边界层,同时扭带增加了主流区的扰动,使得湍动能增加,因此波节和扭带的协同作用使管内达到了复合强化换热效果。

非对称型外凸式波节管内的传热和流动特性

针对一种新型的非对称外凸式波节管(ACT)换热元件,基于三维RST模型对其进行了数值模拟研究。通过与传统的对称型外凸式波节管(SCT)分析比较,考察了两者流动及传热特性的区别。为了验证雷诺应力模型(RST)在研究波节管结构时的可靠性,比较了现有波纹壁面中直接数值模拟(DNS)与RST模型在同一条件下的计算结果。通过对比发现,RST模型得出的包括速度场、压力系数等计算结果与DNS所得出的结果基本吻合。随后对外凸型的流动及传热机理进行了深入探讨。结果表明,与传统的SCT相比,ACT提高综合传热性能最多能够提高32.3%。

球凸板对磁场中导电流体自由表面流动的传热强化

在许多工业应用和能源工程的磁流体流动传热中,外部磁场抑制导电流体的湍流脉动,降低了其对流传热系数。基于涡流发生的球凸板是一种高效的强化换热手段,其主要特点是传热强度大、流动阻力小、综合传热性能高,本文数值研究了利用球凸板强化磁场中导电流体自由表面流动换热的性能。计算采用磁场作用下的修正湍流模型和诱导磁场方程,并利用标量输运方程的求解器对它们进行求解。结果表明,在中等Hartmann数(30～70)下,球凸板的换热增强因子达到1.3～2.3,而阻力损失仅为光滑平板的1.34～1.45倍。在获得较高强化传热效果的同时,球凸板的阻力损失增加相对较小,因而获得了较高的综合传热性能。

高黏度流体的传热强化研究进展

介绍了高黏度流体广泛应用于食品、轻工、动力、石油、制冷、机械、船舶等领域,而高黏度流体换热过程普遍存在着传热系数低、压降大的缺点。分析已发表的相关研究报告表明,采用带有沟槽和翅片的传热管、换热管的结构或在管内加设各种结构的插入物等方式可以改善高黏度流体的传热性能。指出采用上述方式的合理组合能达到提高传热系数同时减小压降的目的,从而提高综合传热性能。

内插松弛扭带波节管的流动与传热特性的数值模拟

采用RNG k-ε数值模拟方法研究一种新型内插松弛扭带波节管(CLT)的流动与传热特性。将数值模拟结果与自建实验台的实验结果进行了对比验证;比较了CLT和内插松弛扭带光管(SLT)的传热性能差异;考察了CLT中扭率和余隙比对流动和传热特性的影响规律。研究结果表明CLT相比于传统的SLT,传热性能最多提高1.17倍,综合传热性能的绝对数值最多增加0.15。CLT的综合传热性能随着扭率的增加而增加,而增加的幅度却逐渐减小,高Reynolds数时减小的程度更加显著。同时,综合传热性能随着余隙比的增大而降低并且降低的幅度也逐渐减小,在低Reynolds数时明显降低,而在高Reynolds数时略微降低。综合考虑,低Reynolds数时应该选择余隙比低的扭带,而高Reynolds数时则应选择余隙比高的扭带。

阶梯凹槽管的流体流动与传热特性的数值模拟

提出了一种阶梯凹槽强化管,采用SST k-ω数值模拟方法,对比研究了阶梯凹槽管和光管的传热、流体流动阻力性能差异,研究了阶梯凹槽管的几何尺寸对流体流动与传热性能的影响。结果表明:阶梯凹槽管对近壁处的层流底层有较好的扰动作用,其强化换热综合性能明显好于光管,传热强化明显。阶梯凹槽管比较适合于Re<10000流体的低Re场合。相应地,e/d大约在0.10、s/d大约在0.44、p/d大约在1.50较为合适,此时,在相同泵功率下阶梯凹槽管比光管多传递40%以上的热量,且Re越小多传递的热量越多。

翅片结构对双向开缝翅片管换热器性能的影响

为了获得翅片结构对双向开缝翅片管换热器传热与阻力性能的影响规律,对不同翅片间距Pf和开缝高度Sh的双向开缝翅片管换热器进行了数值模拟,并对数值模拟结果进行了模化试验验证。结果表明：当Re〈7200时,增大Pf会提高双向开缝翅片管换热器的传热与阻力性能;当Re〉7200时,减小Pf会提高其传热性能,降低其阻力性能;随着Sh的增加,双向开缝翅片管换热器的传热性能先降低后提高,阻力性能先提高后降低;对于不同翅片结构的5种双向开缝翅片管换热器,Pf越大,综合流动传热性能越高,但实际换热面积会减小,需综合考虑;在Re=2734～6712范围内数值模拟与试验结果吻合较好,数值模拟能较准确地反映双向开缝翅片管换热器的传热与阻力特性。研究成果可为双向开缝翅片管换热器的结构与性能优化提供依据。

周期性凹槽流道脉动流传热及流动特性的数值模拟

以水为工质对三角槽道层流脉动流传热及流动特性进行模拟研究,分析平均雷诺数、斯特劳哈尔数、脉动振幅等参数对传热以及流阻的影响。以“多场协同”为视角,解析脉动流场各物理量之间的协同关系,研究三角槽道层流脉动流强化传热的本质并提出优化控制方式。研究表明,以增加Re数强化脉动传热的方式伴随着能耗的上升,综合传热性能持续下降;相较于流阻增量,传热过程对于脉动参数变化的敏感性更强;三角槽道层流脉动流强化传热的本质在于速度矢量、速度梯度、温度梯度以及压力梯度之间的协同性改善,对于传热优化而言也在于控制各个流场物理量参数之间的协同关系。

管间距对开缝翅片管换热器传热与阻力特性的影响

为了获得管间距对开缝翅片管换热器传热与阻力特性的影响规律,对5种不同翅片管换热器进行了数值模拟研究,并进行了模化试验验证。结果表明:开缝翅片管束的传热和阻力特性与翅片侧气体的Re数有关,随着Re数增大,翅片侧Nu数增大,摩擦因子f逐渐减小;纵向间距S2对开缝翅片管换热器的综合流动传热性能的影响较大。数值模拟与试验结果偏差较小,采用数值模拟方法能够比较准确地分析开缝翅片管换热器的传热与阻力特性。

八边形翼攻角对翅片管空气侧流动与换热特性的影响

在传统翅片管上加装八边形翼涡发生器以强化传热。利用FLUENT软件对八边形翼翅片管模型进行了数值模拟,研究了不同雷诺数(Re)下八边形翼攻角(10°,20°,30°,40°)对翅片管空气侧流动与换热特性的影响。结果表明,八边形翼攻角对管后尾迹区换热影响显著;与平直翅片管相比,加装八边形翼的翅片管空气侧在不同攻角、Re下的平均努塞尔数(Nu)提高了13.1%~43.1%,相应的阻力系数(f)增加了6.9%~61.1%;通过对综合传热性能评价因子(PEC)的分析发现,在Re为862~3735时,八边形翼攻角为20°的翅片管综合传热性能最佳。

弧形涡发生器对车用散热器的影响研究

车用散热器的翅片结构对其散热性能影响很大。在现有收腰管和平翅片的基础上对平翅片的结构进行了优化,开发了3种新型翅片(弧形涡发生器1#、2#、3#)。基于Fluent软件进行CFD建模,研究了2~14 m/s空气速度下各翅片的传热和阻力性能。结果表明,设置弧形涡发生器通过改变空气的流场状态可以有效提升收腰管散热器的传热性能;当空气入口速度为14 m/s时,弧形涡发生器1#、弧形涡发生器2#和弧形涡发生器3#的努塞尔数分别提高了7.9%、10.8%和10.9%。综合评价3种新型翅片的性能,在各空气速度下,新型翅片均优于平翅片。

高热流密度燃烧室壁面阵列空气射流-燃油组合冷却结构研究

针对高热流密度燃烧室壁面热防护需求,提出了一种空气阵列射流冲击和燃油冷却肋板的集成冷却方式,在射流平均雷诺数Rej为1×10^(4)~3×10^(4),燃油进口流速vf为2.33~5.23m/s内,采用数值模拟方法对其传热特性进行了研究,并基于壁面加热侧当量对流换热系数的概念,分析了基准肋板以及燃油冷却肋板的传热增强作用。与无肋板靶面的阵列射流冲击相比,带肋板阵列射流冲击的面积平均当量对流换热系数是前者的1.6倍,压力损失系数相对提高了约25%;采用燃油冷却肋板,加热壁面综合传热能力进一步增强,在Rej=1×10^(4)时,采用燃油冷却肋板的面积平均当量对流换热系数是基准肋板的1.5倍以上,即使在Rej=3×10^(4)时,燃油冷却肋板的传热增强比也可以达到1.2;燃油冷却肋板的出口温度相对进口温度的提升在20~50K内,其提升幅度随着射流雷诺数或燃油进口流速的增大而减小。

基于火积理论的螺旋折流板换热器结构优化

首次应用火积理论对螺旋折流板换热器进行优化结构分析。选取50%搭接的18°和27°的螺旋平面折流板换热器和改进的螺旋折面折流板换热器作为研究对象,且分别应用传热性能综合评价(PEC)准则和火积耗散理论对实验数据进行了分析。结果表明:随着有效度和传热单元数的增加,火积耗散数均减小。18°螺旋折流板换热器的性能明显优于27°螺旋折流板换热器,且在有效度或传热单元数相同的情况下,改进后的螺旋折面折流板换热器的性能也均优于螺旋平面折流板换热器。火积耗散理论与PEC准则分析结果的一致性,证明了火积理论对螺旋折流板换热器性能分析的适用性。同时发现,传热火积耗散数的大小是阻力火积耗散数的上千倍,说明传热火积耗散在总火积耗散中占重要地位。这对火积理论应用于螺旋折流板换热器的传热和阻力性能研究具有重要意义。

结构形式对双层微通道热沉传热性能的影响

设计一种双层微通道热沉,即热沉上下层通道结构相异B(上层为矩形微通道,下层为复杂结构微通道),旨在降低压降的同时保持良好的换热性能,并与上下层通道均为复杂结构微通道的热沉A作对比。用数值方法研究了顺流和逆流时、不同通道结构(PA、PB、CA、CB)对其传热性能的影响,并用场协同原理分析流场与温度场的协同关系对传热的影响。结果表明:当0<Re<140时,顺流PA和PB的底面平均温度明显低于逆流CA和CB;当140<Re<250时,底面温度分别从低到高依次为PB、CB、PA、CA。从结果可知,若对底面温度要求高的微电子芯片,可采用结构PB;从综合传热性能看,结构PB的综合传热性能更佳,其传热协同角最小,说明该种布置方式改善了流场和温度场的协同关系。