网格类型对管内旋流特性数值计算的影响

随着计算机技术和数值方法的高速发展,待解决科研问题的复杂程度越来越大,需要更加准确和有效地分析内部原理.高质量的网格将显著提高计算精度,如何高效地在所分析的区域生成高质量网格是计算流体动力学面临的主要困难.文章分别介绍了结构化网格和非结构化网格的生成流程(块划分,域选取),并将模拟值与经验值进行对比,误差均在10%以内.研究结果表明:以Nu作为传热评价指标,Re <600范围内非结构化网格和结构化网格均与经验数据拟合良好,两类网格的模拟值偏差不大;在Re=600~1 600范围内结构化网格的模拟值更贴近经验值;Re>1 600范围内,管内流体流动进入过渡区域,结构化网格收敛速度较非结构网格收敛速度有明显提升;结构化网格收敛速度提高1倍左右,残差值始终可以达到基本要求.

宽度交替变化扭旋元件对管内传热特性的影响

在雷诺数Re=200～1 800范围内,利用数值模拟方法对内置宽度交替变化扭旋元件的管内传热性能进行研究,研究结果表明:宽度交替变化扭旋元件能够显著提升努赛尔数Nu和传热性能评价因子η,与光管相比分别提高2.2～5.2倍和1.4～2.2倍;换热管局部努赛尔数沿流向呈速降—缓降—速升—缓降—恒定的变化规律,上升速率随扭旋元件径比的增大而提高,而降低速率与径比关系较小;局部努赛尔数在扭旋元件后方半个元件长度处达到最大值,该长度可作为间隔扭旋元件优选间距;流体在窄扭旋元件以及前后反向扭旋元件作用下,形成主、次螺旋流共存流动,局部流线向中心倾斜,径向流动加强,传热得到强化。

管内旋流特性与传热效果的关联性分析

应用数值模拟方法对内置扭旋元件的管内旋流特性与传热效果的关联性进行研究,首次提出表征螺旋流径向流动强度的"径流数"概念及表达式,并与表征螺旋流周向流动强度的"旋流数"进行对比,获得径流数,旋流数和努塞尔数随换热管轴向位置及雷诺数变化的对应关系.研究结果表明:旋流数和径流数均与努塞尔数沿换热管轴向呈现良好的匹配关系,变化趋势和极值位置几乎相同,而径流数与努塞尔数的吻合程度更优,说明通过扭旋元件旋流特性的研究在一定程度上可以替代传热特性研究,缩短扭旋元件的研发周期;管内努塞尔数均随着雷诺数的增大而提高,而旋流数及径流数受雷诺数的影响不大,没能反映出雷诺数对传热效果的影响,应对这两个参数进一步改进,扩大其应用范围.

外壁转速对圆环扇形截面流道内流动特性的影响

圆环扇形直流道内的流体在轴向压降及外壁旋转共同作用下形成三维螺旋流动,针对不同外壁转速下的三维螺旋流动进行数值模拟,探究不同轴向雷诺数以及周向雷诺数下外壁转速对流体三维速度分布的影响规律.研究结果表明:在较低的外壁转速下,周向速度关于环扇形流道截面角平分线成对称分布,而径向速度关于角平分线成反对称分布;随着外壁转速的提高,三维速度分量的对称或反对称关系遭到破坏,速度中心的径向及周向位置随外壁转速产生有规律变化;外壁旋转的圆环扇形流道内具有三个涡流区域,其中靠近外圆柱面的主螺旋涡旋转方向与外壁面旋向相同,而靠近内圆柱面上下角点的两个Moffatt涡旋向与外壁面转动方向相反;主螺旋涡在外圆柱面带动下向其旋转方向偏移,而距离主螺旋涡中心较远的Moffatt涡在低压作用下涡流区域随外壁转速的提高而显著增大.

管内窄边扭旋元件诱导螺旋流的旋流强度分析

为了研究螺旋流在形成、发展及衰减过程中旋流强度的变化规律,采用数值模拟方法对管内置窄边扭旋元件诱导产生的螺旋流进行分析,得到了雷诺数和元件扭率对旋流强度的影响规律。结果表明:流体进入扭旋元件后,在元件两侧形成两个与主螺旋流旋向相反的二次涡流;流体流出扭旋元件后,旋流螺距经历一个由大变小,再由小变大的过程;在螺旋流形成发展阶段,雷诺数对旋流强度影响较小,旋流强度随着元件扭率的增大而迅速提高,由于惯性作用旋流强度在元件出口1/6元件长度处达到最大,该位置与雷诺数和元件扭率无关;整个螺旋流发展阶段旋流强度呈现一种指数变化规律;流体流过旋流强度最大截面后,由于流体粘滞力大于惯性力,旋流强度以近似线性的规律衰减,雷诺数越大衰减速度越慢,扭率对旋流衰减速度影响较小。