内置弧形槽扭旋元件圆管中相变微胶囊的传热特性研究

设计出一种新型管内强化换热元件——弧形槽扭旋元件,在雷诺数Re=200~1 600范围内以MPCM相变流体为介质进行了管内流速场和温度场的数值模拟,基于等效比热容法从场协同角度分析了弧形槽扭旋元件的强化传热机理,并讨论了元件弧度的变化对管内换热效果的影响。结果表明:弧形槽扭旋元件可以从增强流场与温度场协同程度和提高MPCM颗粒的熔化率两方面共同增强换热效果,与传统扭旋元件相比管内Nu最高可增加12%;较低Re时,弧度r=π元件的Nu最大,而r=4π/3元件则在高Re时有着较好的换热性能;r=π元件的阻力系数最高,3种不同弧度的元件的PEC均大于1,最大值约为1.35。

内置弧形槽扭旋元件圆管中湍流传热特性研究

设计出一种新型强化换热元件--弧形槽扭旋元件,并在Re=4000~10000范围内对三种弧形槽数量的扭旋元件进行了数值模拟,从平均努塞尔数、温度场分布等方面分析了弧形槽的数量对管道传热特性的影响。模拟结果表明,n=3元件弧形槽的数量和分布位置有利于中心流体与管壁附近流体的混合以此强化传热,在三种元件中具有最佳的换热效果,n=2元件次之,n=1元件的结构不利于槽内流体与外界流体的交汇,换热效果较弱;三种元件引起的管道阻力随弧形槽数量的增加而提升,综合传热性能方面,PEC值均大于1,最大值为n=3元件在Re=4000时,达到1.33,说明使用弧形槽扭旋元件会使管道传热性能得到不同幅度的提升。

同心双扭旋元件对管内层流传热特性的影响

为探究同心双扭旋元件对换热管传热特性的影响规律,采用数值模拟方法对Re=200~1800范围内恒壁温条件下的管内传热进行了分析。研究结果表明:同心双扭旋元件换热管的Nu明显高于窄边扭旋元件换热管,但与中空扭旋元件进行对比,Nu变化并不明显;同心双扭旋元件换热管的f明显大于中空扭旋元件及窄边扭旋元件;同心双扭旋元件换热管的PEC值略低于中空扭旋元件换热管,但高于窄边扭旋元件换热管,且同心双扭旋元件换热管的PEC值均大于1。

叶片数量变化对同心双扭旋元件管内流动特性的影响

采用数值模拟方法对内置多个扭旋元件的管内流体流动特性进行研究,得到不同雷诺数下,叶片数量N对螺旋流场分布、流动阻力的影响规律。结果表明:流体在扭旋元件长度范围内,在扭旋元件的诱导下绕叶片中心做螺旋流动。随着叶片数量的增多,管内螺旋涡的数量随之增多,增加叶片数量强化了径向流动。压力降随着叶片数量增加而增加,低雷诺数下呈线性增加,高雷诺数时呈非线性增长,当叶片数达到5之后增长速度明显降低。

内置同心双螺旋扭旋元件的管内流动特性的分析

采用层流模型对内置同心双螺旋扭旋元件的管内流动特性进行了数值模拟分析,得到了螺旋流场的演化规律、元件宽度比对螺旋流和流动阻力的影响规律以及雷诺数对螺旋流半径和流动阻力的影响关系.结果表明:流体在扭旋元件长度范围内,在扭旋元件的影响下形成与相应扭旋片旋向相同的主螺旋涡流,在内扭旋片径向端面形成两个与内扭旋片旋向相反的次螺旋涡流;流体质点螺旋流半径经历了一个由大、小、大的变化过程,流体径向流动增强,强化流体流动效果;在较小的雷诺数(Re=100~1100)下,元件宽度比R对流体流动有较大影响,在R=1结构下流体径向流动效果最好;元件宽度比R对压力降和摩擦系数影响较小,说明迎流面积不变的情况下,扭旋元件的形体阻力和摩擦阻力几乎保持不变.

同心双扭旋元件内外叶片数量对管内传热性能的影响

为探究同心双扭旋元件组合方式变化对换热管传热特性的影响规律,采用数值模拟方法对雷诺数Re=200~1800范围内恒壁温条件下的管内传热进行了分析,并进行了实验验证。研究结果表明:在Re=200~1800的范围内,含有4-4同心双扭旋元件换热管的努赛尔数Nu值最大,其次为3-3同心双扭旋元件,2-4与2-2同心双扭旋元件的Nu相差不大,最大仅相差5%;4-4同心双扭旋元件换热管的阻力系数f最大,其次为3-3同心双扭旋元件,2-4同心双扭旋元件的阻力系数略高于2-2同心双扭旋元件;2-2同心双扭旋元件换热管的综合传热性能评价因子(PEC)值最大,为1.50,且明显高于其他3种换热管,其余3种换热管的PEC值相差不大;4-4同心双扭旋元件换热管的场协同数Fc值最大,其余3种换热管的Fc值相差不大。

同心双扭旋元件管ZrO_(2)-水纳米流体的传热特性

为探究纳米流体对内置同心双扭旋元件圆管传热特性的影响规律,采用浓度不同的ZrO2-水纳米流体对Re=200-1200范围内恒壁温条件下的管内传热进行了数值模拟分析.同时采用单相流与两相流模型结果与实验数据进行对比.结果表明:两相流模型更符合纳米流体在同心双扭旋元件换热管的数值模拟分析;以ZrO2-水纳米流体为工质的同心双扭旋元件换热管的换热效果明显优于水,且浓度越高,传热效果越佳,Nu相对于水在光管的强化幅度为5.34倍;但纳米流体浓度越高,阻力系数也越大,但相差不大,最大仅相差7%;同心双扭旋元件换热管中ZrO2-水纳米流体的浓度越高,换热管的综合传热性能评价因子(PEC值)越大,最大值为1.53.

中空扭旋元件数目对管内层流传热特性的影响

为探究中空扭旋元件数目对换热管传热特性的影响规律,采用数值模拟方法对Re=200~1800范围内恒壁温条件下的管内传热进行了分析。研究结果表明:双中空扭旋元件换热管的Nu明显高于单中空扭旋元件换热管,但随着扭旋元件数目的继续增加,Nu变化并不明显;当中空扭旋元件数目增多时,换热管的f也随之增大;双中空扭旋元件换热管的PEC值明显好于其他换热管,所有中空扭旋元件换热管的PEC值均大于1。

中空扭旋元件排列方式对管内层流传热特性的影响

为探究中空扭旋元件排列方式(交错排列和连续排列)对换热管传热特性的影响规律,采用数值模拟方法对Re=200~1800范围内恒壁温条件下的管内传热进行分析.研究结果表明:在Re<600时,内置交错中空扭旋元件换热管的努赛尔数(Nu)高于连续中空扭旋元件换热管,但二者差距较小;在600≤Re≤1800时,连续中空扭旋元件换热管的Nu高于交错元件,提高程度随雷诺数增大而增大;在Re=200~1800范围内,连续中空扭旋元件换热管的阻力系数f均略高于交错元件换热管,二者差距微小,两种中空元件换热管阻力系数分别为光管的2.01~3.16倍、2.01~3.00倍;在Re<600时,交错元件换热管的PEC值(综合传热性能评价因子)高于连续元件换热管;在600≤Re≤1800时,连续元件换热管的PEC值较高;两种元件排列方式换热管的PEC值均高于1,在Re=1800时,连续元件换热管的PEC值最大(最大值为1.75);在Re=200~1800时,连续元件换热管的火积传热效率η均略高于交错元件,但差距不明显.

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。

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.