燃氢燃机高温高湿透平耦合传热和冷却特性

分析了燃氢燃机透平在导热/对流/辐射耦合作用下的流动传热和冷却特性,发展了能够计算高H_(2)O与CO_(2)分压比的灰气体加权和(WSGG)模型。结果表明:燃氢燃机工质中水蒸气含量增大导致金属壁面温度升高;加入辐射的影响后,H_(2)O和CO_(2)含量对传热的影响呈相反的结果,这主要是由于CO_(2)的对流传热能力强于H_(2)O,而H_(2)O的辐射能力强于CO_(2);在对流、导热、辐射3种传热方式都存在的燃氢透平冷却耦合系统中,气膜冷却的速度场几乎不受影响,而温度场则深受耦合及辐射的影响,所定义的耦合条件下气膜冷却效率能够表征燃氢条件下气膜的冷却性能,因此在燃氢燃机透平冷却的设计中,燃氢导致的热负荷恶化需纳入设计变量中。

基于流固耦合传热模型的井下注天然气流量测量仿真研究

注气是一种常见的提高油田采收率、延长油田生产寿命的措施,将气体(天然气、二氧化碳、空气等)通过注入井注入到油层中,以保持或恢复油层压力,使油藏有很强的驱动力,进而提高油藏的开采速度和采收率。综合考虑气源稳定性、成本、运输、腐蚀性及混相压力等因素,天然气或伴生气被认为是最有前景的选择。井下气体流量测量是实现精确定量分层注气的重要技术手段,然而由于天然气组分不固定以及井下高温高压的复杂工况,其流量的精确测量及现场标定面临很大挑战。基于流固耦合传热模型对热式流量计在不同工况下的天然气流量测量进行仿真研究,模拟高温高压下的实验环境,建立气体质量流量与温差之间的输入输出关系,为后续现场实验和测量提供有效指导。

响应面分析翅片参数对含内热源封闭腔内对流-辐射耦合传热特性的影响

为研究内置翅片参数对含内热源封闭腔内自然对流-辐射耦合传热的影响,在是否考虑内壁面辐射效应的基础上,对不同翅片单参数下腔内传热能力进行了数值分析对比,并就翅片多参数交互作用对腔内对流-辐射耦合传热效果的影响进行了响应面分析。结果表明:一定强度的壁面辐射有利于改善热源表面和冷壁面的对流换热效果。壁面辐射使得翅片附近的冷壁面局部Nu数波动程度有所增强,冷壁面平均Nu数相比无翅片工况最高提升了16.74%;无论是否考虑辐射,翅片单参数变化,翅片长度l对热源表面平均Nu数的影响最为显著,最优翅片单参数均依次为:θ=120°、l=0.02H、a=0.75H,考虑辐射对应的热源表面平均Nu数提升率η更高,分别为10.15%、11.03%、10.48%;引入响应面优化法,分析得出翅片长度与安装高度的交互作用对热源表面平均Nu数影响最显著,腔内对流-辐射耦合传热效率最高的翅片参数组合为:θ=117.94°,l=0.023H,a=0.734H,此时,热源表面平均Nu数为26.50,相比无翅片工况提升了13.15%。所得翅片参数影响规律及多目标优化结果反映各因素交互作用显著度的同时,也为改善工业装置封闭空间内发热元件对流冷却效果提供了理论指导。

液态金属快堆螺旋管蒸汽发生器一、二次侧耦合传热数值研究

螺旋管蒸汽发生器是液态金属快堆中能量传递的核心设备,其运行的稳定性、安全性对核电站的运行有至关重要的影响。为此,本文构建了液态金属快堆螺旋管蒸汽发生器一次侧、二次侧耦合传热的三维数值模型,分别基于经济合作与发展组织核能署(The Organisation for Economic Co-operation and Development,OECD/NEA)物性手册和美国国家标准与技术研究院(National Institute of Standards and Technology,NIST)数据库建立液态金属和水-水蒸气变物性计算关联式,采用Lee相变模型计算二次侧水-水蒸气蒸发过程中两相间的质量传递。基于实验数据,分别对本文模型一次侧传热以及二次侧传热的计算可靠性进行了验证。最后以铅铋快堆为例,研究了不同一次侧进口参数下蒸汽发生器一、二次侧之间的耦合传热特性,并与传统水冷堆进行了对比。结果表明:在同等条件下,相比于传统水冷堆,一次侧采用铅铋液态金属时,一、二次侧之间的壁面热流密度明显提升,热流密度峰值可达1439.97 kW·m^(-2),比水冷堆相应数值提升5~6倍,这导致二次侧管内气相蒸发过程明显加剧,体积含气率急剧上升;同时,一、二次侧之间的沿程热流密度分布更加不均匀,沿程热流密度分布相对偏差值比水冷堆相应数值增大3~4倍。随着一次侧进口铅铋温度从350℃增大到450℃,一、二次侧之间的壁面热流密度随之增大,对应的热流密度峰值从950.7 kW·m^(-2)增大到1439.97 kW·m^(-2),提升约1.5倍,同时一、二次侧之间的沿程热流密度分布更加不均匀,不均匀度增大20%。

SOFC阴极空气预热器耦合传热特性及参数影响分析

针对固体氧化物燃料电池(SOFC)高温区碳化硅基阴极空气预热器这一新型换热设备,开展极高温工况下的烟气-空气的辐射-导热-对流耦合传热特性及参数影响分析,基于ANSYS Fluent采用DO模型分析高温气体辐射换热及气体吸收系数对换热器性能的影响,并与S2S模型及不考虑辐射换热模型的计算结果进行对比;同时研究了壁面发射率及烟气进口温度对耦合传热的影响规律。结果表明,烟气进口温度800~1100℃条件下,辐射换热的影响较大,但烟气吸收系数及气体辐射的影响可以忽略;壁面发射率、烟气入口温度对耦合传热的影响非常明显,壁面发射率和烟气入口温度越高,空气出口温度越高。研究结果可为碳化硅基阴极空气预热器的设计提供理论依据。

基于有限体积法的功能梯度材料流固耦合传热一体化计算

为提高功能梯度材料(FGMs)流固耦合传热性能分析的准确性,本文提出了一种二维FGMs流固耦合传热问题一体化计算方法。基于有限体积法离散控制方程,将物性参数和变量储存在单元中心,把耦合面当成特殊的内部面处理,采用中心差分格式处理离散方程中的面单元参数。通过FGMs圆环热传导算例,讨论了高斯法和最小二乘法两种梯度求解方法对于不同网格的适应性。结果表明,对于非结构化网格,最小二乘法比高斯法具有更好的适应性。对于结构化网格,两种方法都具有良好的适用性。因此,本文采用最小二乘法计算离散方程中的梯度,应用有限体积法求解FGMs方板热传导、自然对流和FGMs流固耦合传热问题。计算结果与文献或商用软件计算结果吻合良好,验证了本文方法的有效性。

管壳式换热器流体流动与耦合传热的数值模拟

结合化工行业中使用的某型号管壳式换热器的结构图和工艺参数,对换热器的结构进行了合理的简化,利用ANSYS参数化建模方法建立了管壳式换热器的参数化模型。在ANSYS FLUENT14.0数值模拟软件中对换热器的流体流动以及耦合传热进行了数值模拟,得到管程和壳程流体的流速分布、压降情况、温度场变化的细节信息。该工作对于设计传热效率高、流体阻力小的换热器进行了有益探索。

百叶窗式翅片换热器中的耦合传热

对汽车上常用的百叶窗式换热器的传热过程进行了分析,建立了翅片内导热与翅片间耦合对流换热的物理数学模型,并采用数值分析方法对该耦合传热问题进行了数值模拟计算.计算结果揭示了百叶窗翅片换热器内部的流场结构和换热状况.与经验公式计算结果相比,数值计算的百叶窗翅片换热器通道阻力和换热系数显示出与实测值更好的一致性.

高温空气燃烧炉内耦合传热的数值模拟

用自行开发的三维湍流流动、燃烧、辐射传热和NOx湍流生成的计算程序,用离散坐标方法(DOM)模拟炉内的辐射传热并与其它传热方式相耦合,与各个输运方程共同求解,对燃烧室内的温度场进行了数值模拟.通过改变高温空气的预热温度,数值分析了高温空气燃烧炉内采用燃气直接喷射技术(FDI)的温度分布特性,检验了所采用的耦合数值模拟技术的有效性.模拟计算结果表明,提高空气预热温度,炉内温度的峰值相应增大,温度梯度降低,温度分布更均匀,火焰更长.相关的实验结果与数值预报的结果对比表明了相一致的规律.

基于耦合传热的电制热固体蓄热结构优化研究

为提高固体蓄热系统传热性能,降低其内部流体动力损失,对固体蓄热结构参数进行优化。采用流固耦合的方法对蓄热结构传热过程建模,并对蓄热结构内部温度变化及流体动力特性进行分析。利用数值模拟的方式对蓄热结构的通道结构、孔隙率及进口空气流速等参数进行优化分析。根据优化结果搭建蓄热功率为250kW的蓄热试验平台进行验证,结果表明:具有单通道、孔隙率为20%的蓄热结构在进口空气流速为6~7m/s的情况下,温度均匀性良好,蓄热速率快,内部流体动力损失小。

再生冷却推力室耦合传热数值模拟

对大推力液体火箭发动机再生冷却推力室内部燃气、室壁和再生冷却剂进行了耦合传热数值计算。采用二维轴对称N-S方程描述推力室内部燃气的湍流流动与传热,对冷却剂流动采用简化的一维模型,通过室壁的偶合传热采用一维传热模型。N-S方程的求解采用贴体坐标系下的有限容积法,速度和压强的耦合采用可压缩的SIMPLE算法。湍流的模拟采用可压缩的标准k-ε模型,辐射传热采用热流模型计算。研究表明,本文方法可较好地模拟燃气的二维流动,同时能快速计算壁面热流密度、壁温和冷却套温升,计算结果对大推力发动机推力室的设计具有一定的指导意义。

基于耦合传热的涡轮增压器涡轮箱有限元分析

基于涡轮增压器涡轮箱传热机理,采用专业CFD软件和FEM软件分别建立了涡轮箱流体区域和固体区域网格仿真模型。在流体域建立多重旋转坐标系,精确计算出涡轮箱流场、壁面传热系数及温度。应用流固耦合的仿真方法对涡轮箱进行耦合传热分析,得到涡轮箱固体域的温度场并对其进行热应力分析。与实验结果对比发现,仿真模型的温度场符合实际涡轮箱温度分布,最大误差仅为3.3%。该涡轮箱耦合传热模型具有较高的精度,为涡轮增压器的设计优化提供了依据。

压水堆稳压器波动管热分层现象的流固耦合传热数值模拟

采用三维全尺寸非稳态流固耦合传热的计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)方法对压水堆稳压器波动管发生热分层现象时的流动与传热进行数值研究。与以往的模型相比,将计算控制区域扩展到波动管管壁所在的固体区域,采用更适合于求解具有二次回流和流动分离情况的剪切应力输运(shear stress transport,SST)K-ω湍流模型。在评价浮升力对管内流动与换热影响时,利用较Boussinesq近似更有效的计算方法。从而,得到更加精确的管道瞬态壁温分布及变化规律并对所得结论进行了详尽分析,为准确评价热分层现象对波动管使用寿命损耗的影响提供可靠依据。

高速滑动轴承流固耦合传热及流场分析

通过建立高速滑动轴承的轴瓦-润滑油-轴颈的流固耦合传热系统,将单个传热外边界条件变成内边界,采用计算流体动力学(CFD)方法求解该耦合系统的连续性方程、能量方程和Navier-Stokes方程组,得到耦合系统的温度场、流场和流固界面传热量,解决轴瓦、润滑油、轴颈之间的流固界面的温度和换热系数等传热边界条件难以确定的问题。结果表明:高速滑动轴承油膜压力随着供油压力的增加、轴颈转速的提高而增大;随着轴颈转速提高,油膜将发生破裂,提高供油压力可以抑制油膜破裂的发生;提高供油压力、轴颈转速,加剧润滑介质的流动,均能一定程度地降低轴颈的温度;轴瓦与油膜之间的传热大于轴颈与油膜之间的传热,轴颈、轴瓦与润滑介质之间的传热与润滑介质温度相关。

考虑轮胎空气耦合传热的轮胎温度场分析

针对目前在轮胎温度场有限元分析中对流换热系数计算方法泛化能力不强的问题,提出了利用CFD方法分析轮胎与空气耦合传热来确定对流换热系数的方法。以12.00R20全钢载重子午线轮胎为研究对象,采用耦合传热方法,对旋转轮胎处于静止空气域时的各种工况进行仿真得到对流换热系数,并应用于轮胎温度场有限元分析中。通过对有限元仿真结果和试验结果的对比,说明了该方法的有效性。

飞机发动机冷气道与隔热层的耦合传热分析

数值研究了某飞机发动机外侧冷气道与隔热层的耦合传热过程。采用低雷诺数kε模型与SIMPLEC算法计算通道内可压缩变物性气流的湍流对流换热,采用蒙特卡罗法求解通道壁面间的辐射换热。通道内气流湍流对流换热、壁面间辐射换热与隔热层内导热耦合求解。通过模拟计算,分析了通道与隔热层的耦合传热机制,考察了相关参数的影响。结果表明,在所考虑的通道结构与空气流条件下,冷气道外环壁面的温度高于气流温度,气流对内外环壁面均起冷却作用;在隔热层参数不变条件下,壁面间的辐射换热与气流的对流冷却是该传热过程的控制机制,增大冷气流量、降低壁面发射率均可显著降低隔热层的外壁面温度。

活塞-缸套瞬态耦合传热的有限元仿真

采用耦合传热方法解决在传热数值仿真中对单个零件单独确定边界条件的困难.基于耦合传热理论和有限元方法,将零件间的外边界条件转变为零件的内边界条件,直接对零件进行耦合仿真计算.传热初始条件和边界条件分别由工作过程模拟程序和经验公式计算得到.以柴油机活塞-缸套为对象,采用耦合传热方法对其整体温度分布以及温度随循环时间的变化规律进行了仿真计算,并与实测数据进行了比较.结果表明,采用耦合传热方法模拟活塞-缸套间的传热可以大大简化边界条件,同时使传热过程的模拟更加符合实际工作状态.

长时间流固耦合传热过程的快速算法

针对千秒级长时间流固耦合传热(CHT)过程求解问题,进一步提出一种基于准稳态流场的全局瞬态紧耦合传热的新型松耦合算法。交替使用单独对流体区域进行稳态流场求解的算法更新流场,以及同时对流固区域进行瞬态传热求解的算法计算瞬态温度场。该算法相对于传统流固松耦合算法,可以大大减小流场更新频率,进一步显著提高计算效率。以管内定来流速度空气连续300 s的强制对流瞬态加热过程为例,利用Fluent软件证明了该算法相对于瞬态紧耦合算法获得的管体结构温升最大偏差为5%,而计算耗时减小到14.8%。

300MWe级核电站主泵流固耦合传热研究

反应堆冷却剂泵的流动、传热问题涉及计算流体力学和固体传热有限元学,流、固传热系统在交界面处边界条件的确定是一个重点。利用分区求解、边界耦合的方法将流体和固体作为一个整体研究,在交界面上先假定一个初始温度,再进行迭代计算。通过对计算结果进行分析,从而得到主泵实体及流体的温度分布与流体流动状态有密切关系,叶片温度受流动状态影响较大,轮毂处相对较小,叶轮叶片表面高温区类似涡状。为研究主泵流场、温度场和应力场的三场耦合问题,提供了依据。

气粒两相流与夹套耦合传热的数值模拟

采用夹套对造粒塔内的气粒两相流体进行冷却是一个既有多相流对流换热、单相流对流换热,又有固体导热不同流体之间相互作用的复杂过程。采用分区耦合的计算方法对该过程进行模拟,获得了造粒塔和夹套内详细的温度分布。考察了冷却水入口温度、冷却水总量和3段夹套的冷却水比例对造粒塔内温度的影响。结果表明,冷却水入口温度显著影响造粒塔内的温度,冷却水总量影响次之,3段夹套的冷却水比例对造粒塔内温度的影响较小,且3种因素对提高传热系数均无显著影响:夹套合适的操作条件为冷却水总量2667kg/h,冷却水入口温度310K,3段夹套的冷却水比例为5:3:2。