几何因素对U型管内超临界甲烷流动换热影响

超临界甲烷换热器广泛存在于工程实际中,由于超临界甲烷在拟临界温度附近物性变化剧烈,使得其流动与传热规律十分特殊而复杂。基于计算流体动力学(compautational fluid dynamics,CFD)原理,采用有限体积法对超临界甲烷湍流流动与传热特性进行数值模拟,在验证模型可靠性的基础上,分析了弯管曲率半径、U型管立式与水平布置形式对传热特性的影响。结果表明:在管壁边界热流密度q=80 kW/m^(2)、入口质量流量G=75 kg/(m^(2)·s)、入口温度T in=180 K的条件下,迪恩涡强度随弯管曲率半径的增大而减弱,弯管处的对流传热系数随曲率半径增大而增大;此外,与水平布置相比,U型管立式布置时,超临界甲烷流体与壁面间的对流换热效果更强。本文研究结果对超临界甲烷换热器性能优化具有指导意义。

微通道内超临界氮气三维热流场实验与数值模拟

利用实验与数值模拟相结合的方法研究了超临界氮气(SCN_(2))三维热流场特性,在用实验数据验证数值方法可靠性基础上,分析了压力(3.6~7 MPa)和质量流速[800~1200 kg/(m^(2)·s)]对SCN_(2)对流传热特性的影响,揭示了微通道圆管不同圆周方向上SCN_(2)热流场规律。结果表明:在低压力和高质量流速下,同一轴向位置处,径向内壁温最大值出现在圆管90°处;质量流速越大,内壁温最大值和对流传热系数最小值由圆管180°向90°处发生了转移;当浮升力系数Gr^(*)/Re^(2)>1时,浮升力有利于强化圆管底部区域流体传热能力;基于获得的数据,提出了一个新的适合预测微通道圆管内SCN_(2)对流传热特性的无量纲换热关联式,预测误差小于20%。研究结果为微通道换热器优化设计提供了参考。

双孔连续出流气直接接触泡聚并行为数值模拟

气泡作为气液流体行为和传递特性的最基本元素,其聚并的运动特性对于化工、石油等工业具有重要作用。本文基于VOF对双孔连续出流气泡直接接触式聚并行为进行数值研究,揭示了聚并演变机理,考察了孔间距、进气速度、液面高度对聚并行为的影响。结果表明:气泡初始纵横比随进气时间增加而减小,聚并时突然增大,气泡开始聚并时刻与进气速度负相关;气泡脱离时间与孔间距、进气速度均负相关,液面高度对入口气泡聚并行为影响不大。

水平圆管内超临界甲烷非均匀流场的对流传热特性

为了揭示超临界甲烷热交换器的对流传热机理,建立了求解固体壁面导热和超临界甲烷对流传热耦合模型,分析了水平圆管内超临界甲烷非均匀流场的对流传热特性。结果表明:超临界甲烷受热过程中,Re随着主流体温度升高而单调增加,Pr出现了波峰和波谷双极值;受浮升力和重力的双重作用,圆管截面上超临界甲烷各项热物性均呈现“扭曲”和“分层”现象,并伴随着复杂的“二次环流”;圆管内壁温和内壁面热通量非均匀的分布特征,在圆管0°位置处达到最小值;对流传热系数峰值出现在拟临界温度附近,与管道压力相比,超临界甲烷对流传热特性受入口质量通量变化更为敏感。

180°弯管内超临界甲烷非均匀对流传热特性

为了揭示超临界甲烷(S-CH_(4))热交换器的传热机理,针对180°弯管内S-CH_(4)非均匀对流传热特性进行了研究。在验证数值方法可靠性基础上,获得了S-CH_(4)热物性场纵向和径向分布以及迪恩涡变化规律,并对比了弯管和直管换热能力。研究结果表明:受离心力、重力和弯管连续曲率共同影响,弯管纵向截面上S-CH_(4)热物性参数呈现明显的分界线且“非同心圆”分布;弯管内迪恩涡核心位置靠近于内壁;同时,迪恩涡有助于强化S-CH_(4)传热能力,局部弯管传热系数最大值位于内壁附近;当质量通量分别为300 kg/m^(2)·s和600 kg/m^(2)·s时,相比于直管,弯管传热系数增幅分别为18.8%和23.5%。研究结果为S-CH_(4)热交换器优化设计和应用提供了参考依据。