旋转热管砂轮冷凝端单翅片对流换热仿真研究

为优化旋转热管砂轮冷凝端结构,在冷凝端添加翅片,增大散热面积,实现有效散热,从而提高换热能力。应用FLUENT软件对旋转热管砂轮冷凝端单翅片进行对流换热仿真研究,通过建模分析翅片高度、翅片厚度、冷风条件、转速对冷凝端换热性能的影响。研究表明,当翅片高度为6 mm,翅片厚度为1 mm时,冷凝端外壁面的平均对流换热系数最大,平均温度最低。当冷风压力为0.6MPa时,冷凝端换热性能较好。随着旋转速度的加快,冷凝端外壁面平均对流换热系数增大,表明换热能力不断提高。仿真研究结果为旋转热管砂轮冷凝端结构优化及后续磨削试验提供了参考,具有较高的实际工程应用价值。

Heat Transfer Characteristics outside the Condenser of a Rotating Heat Pipe Grinding Wheel with a Lateral Air Impinging Jet

This study numerically analyzed the heat transfer characteristics outside the condenser of a rotating heat pipe grinding wheel(RHP-GW).The goal of this investigation is to determine the optimal structure and parameters for the condenser section of RHP-GW.Different fin height(f=0-7 mm),rotational Reynolds number(Rer=1602-6408)and jet Reynolds number(Rej=42379-108302)were analyzed under input heat flux of 4000 W/m2.A fully developed flow was imposed at the outlet of the nozzles.Results showed that the optimal heat transfer rate was obtained for fin height of 5 mm,which improved the average Nusselt number by 84%compared to the structure without fins.A critical Rej for each Rer that the impinging jet can reach the condenser section was found.The critical Rej value increases with Rer,which is in the range from 42379 to 61215 and 61215 to 80050 for Rer=6408 and Rer=9610,respectively.

冲击射流下旋转热管砂轮冷凝器传热特性

轴向旋转热管砂轮是用于强化磨削弧区换热的新型砂轮,其冷凝器换热性能的优劣直接影响整个热管砂轮的换热性能。本文结合冷凝器设计方法设计了热管砂轮冷凝器,并借助数值模拟的方法对轴向旋转热管砂轮冷凝器的换热性能进行分析,以优化旋转热管砂轮冷凝器的结构参数。研究不同的翅片高度(f=0~8 mm)、喷嘴到翅片顶部距离(d=3~11 mm)、低温空气射流速度(v_(j)=45~115 m/s)和砂轮转速(n=150~1180 r/min)等对冷凝器换热性能的影响,结果表明:当翅片高度为6 mm时,获得最佳传热性能,对流换热表面传热系数约为459 W/(m^(2)·K),与无翅片结构相比,对流换热表面传热系数提高36%;当喷嘴到翅片顶部距离为5 mm时,换热性能最好,传热系数为459 W/(m^(2)·K);当低温空气射流速度提高时,对流换热表面传热系数随之提高,射流速度为115 m/s时对流换热表面传热系数最高,可达459 W/(m^(2)·K),与射流速度为45 m/s时相比提高43%;当砂轮转速提高,对流换热表面传热系数也随之升高,砂轮转速为1180 r/min时对流换热表面传热系数最高,达到459 W/(m^(2)·K),与150 r/min时相比提高4%。

带轴向通流旋转管内部肋结构的流动传热特性数值研究

采用数值模拟方法,在轴向通流雷诺数Rex为6400、旋转雷诺数Reω变化范围为0~3.77×10^(4)的条件下,对带轴向通流旋转管内部肋结构的流动传热特性进行了研究,着重研究了3种肋型结构,包括沿轴向布置的环形横肋、离散环肋和沿周向布置的纵向直肋。研究结果表明,旋转通道内流场受到轴向通流流动和旋转诱导周向流动的共同影响,在低旋转雷诺数下,轴向通流流动占主导,环肋和离散环肋的传热强化机制显著;而在高的旋转雷诺数下纵向肋的传热强化机制则更为显著。采用综合性能因子对几种肋型进行综合评价,在低旋转雷诺数下离散环肋的综合性能最优,但在高旋转雷诺数下,环肋和离散环肋结构的综合性能相较于光滑通道并无优势,甚至还会导致综合性能的降低。对于高速旋转管,纵向肋是内部强化传热应用的一种合理结构形式。

基于轴向旋转热管砂轮的钛合金成型磨削试验研究

针对钛合金等难加工材料成型磨削时存在的磨削弧区温度高、型面温度分布不均的问题,设计制作了轴向旋转热管成型砂轮。通过开展轴向旋转热管砂轮的钛合金成型磨削试验,探究了热流密度、充液率及砂轮转速各因素下热管砂轮对磨削弧区温度的控制效果,从而得到最佳磨削参数及热管砂轮最佳充液率,并在此条件下进一步开展磨削试验。对磨削后的工件表面质量进行了分析,发现轴向旋转热管砂轮能明显降低弧区温度,减小型面温差,并避免工件烧伤现象,这表明其在强化弧区换热、控制磨削温度上具有较大优势。

幂律流体在内管旋转下放环空中的流动与传热规律

对柱坐标系下泡沫流体运动方程和能量方程进行简化,结合幂律流体本构方程并将其离散,运用有限差分方法对方程进行求解,得到幂律流体在内管旋转下放环空中的水力参数分布。结果表明:随内管转速的增大,环空中幂律流体的轴向流速、角速度、合速度增大,温度升高,表观黏度降低;随内管下放速度增加,环空中幂律流体的轴向流速、角速度和合速度减小,表观黏度增大,内管壁附近温度升高而外管壁附近温度降低。

纳米流体热管砂轮成型磨削钛合金换热性能评价

制约难加工材料成型磨削的主要问题是磨削烧伤。将轴向旋转热管技术(Axial rotating heat pipe,ARHP)与纳米流体技术相结合用于强化磨削弧区的换热效果,采用计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)数值模拟方法研究纳米流体轴向旋转热管砂轮(Axial rotating heat pipe grinding wheel,ARHP-GW)的换热性能。从磨削热流密度、砂轮转速和砂轮种类(普通砂轮、工质为去离子水的轴向旋转热管砂轮、工质为金刚石纳米流体的轴向旋转热管砂轮)等三个角度对砂轮磨削钛合金的传热性能进行评估。采用数值仿真方法对轴向旋转热管砂轮磨削TC4钛合金过程进行数值模拟,探究了三种砂轮在不同热流密度和转速下磨削弧区的换热性能。结果表明,轴向旋转热管砂轮加工时砂轮-工件接触弧区的温度显著降低,轴向旋转热管砂轮的传热性能要远优于普通砂轮;填充金刚石纳米流体的轴向旋转热管砂轮传热性能要高于去离子水作为工质的轴向旋转热管砂轮,即使在1×108 W/m2的高热流密度的条件下仍然能够保持这一特性。最后,开展了TC4钛合金成型磨削试验验证了纳米流体热管砂轮在1800 r/min的高转速条件下的换热效果。

成型面干磨削用旋转热管砂轮换热性能研究

制约难加工材料成型磨削的主要问题是磨削烧伤。现有的冷却技术大多基于冷却液进行冷却,而鲜有学者从砂轮基体本身的换热潜能出发来解决磨削热的疏导问题。提出借鉴高效传热性能热管技术实现磨削弧区强化换热的构想,针对典型盘类零件型面特征,制作了轴向旋转热管砂轮,通过监测热管内部的温度分布,分析了不同转速、充液率以及热流密度条件下轴向旋转热管砂轮的等效换热系数。通过对比有、无热管两种砂轮在干磨削钛合金TC4成型面时热管内部温度、磨削弧区温度、工件表面质量及工件表层金相组织等,证实了热管在强化成型磨削过程换热的优势。最终,对比了在使用热管和冷却液两种冷却方式下,所产生的能源消耗和CO_(2)排放量,证实了旋转热管技术在难加工材料绿色制造中的发展潜力。