開孔矩形翅片橢圓管流動(dòng)及傳熱特性的數(shù)值

用于大型電站的鋼制方翅片橢圓管空冷換熱器,并按電站空冷器的通用排列形成制造管族試驗(yàn)小樣,通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出其換熱和管外阻力性能及二者與迎面風(fēng)速的關(guān)系以滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)優(yōu)選的需要,同時(shí)還按近似等換熱面積制造了一個(gè)鋼管鋁軋片式圓管族小樣,與其進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

本文著重闡述了電站凝汽器空冷系統(tǒng)的空冷式換熱器所用的矩形鋼翅片橢圓管簇小樣的試驗(yàn)研究。通過(guò)對(duì)小樣放熱及阻力的試驗(yàn)，得出不同迎面風(fēng)速下的放熱性能及空氣側(cè)阻力性能的關(guān)系。

通過(guò)對(duì)鋼制橢圓管矩形翅片的不同管徑、不同翅片間距的空冷傳熱元件進(jìn)行熱力及阻力性能試驗(yàn),給出了相應(yīng)的傳熱關(guān)聯(lián)方程式及阻力方程式,可供工程設(shè)計(jì)時(shí)參考。

研制的新型空冷器用橢圓管代替圓管,以鋼制矩形翅片套在橢圓管上,翅片上開有擾流孔,管束熱浸鋅,其總傳熱系數(shù)比普通圓管纏繞翅片空冷器大一倍左右。已在煉油廠催化裝置分餾系統(tǒng)上安全運(yùn)行3年多。

利用realizablek-ε湍流模型對(duì)帶缺口的梯形擾流片進(jìn)行流動(dòng)和傳熱特性的數(shù)值模擬,研究了梯形擾流片的缺口位置及流動(dòng)方式對(duì)矩形通道內(nèi)流場(chǎng)以及傳熱的影響,同時(shí)通過(guò)對(duì)渦量、流線、流速分布、壓力變化、湍流強(qiáng)度等的分析,揭示了擾流片強(qiáng)化傳熱的機(jī)理。結(jié)果表明,逆流時(shí)nusselt數(shù)比順流時(shí)提高了21.7%,同時(shí)摩擦因子也提高了25%。順流時(shí)內(nèi)側(cè)缺口繞流片提高了傳熱系數(shù)的同時(shí)也增加了摩擦阻力,而外側(cè)缺口的繞流片降低了傳熱系數(shù)同時(shí)也降低了形狀阻力。研究發(fā)現(xiàn)較低reynolds數(shù)下(10000<re<14000),逆流體現(xiàn)了較好的綜合性能,但較高reynolds數(shù)下(14000<re<20000),帶缺口的繞流片則表現(xiàn)更好的綜合性能。由于kelvin-helmholtz不穩(wěn)定性導(dǎo)致了繞流片頂端后緣產(chǎn)生自由剪切層并誘發(fā)了發(fā)夾渦;繞流片的前后壓差導(dǎo)致了流場(chǎng)內(nèi)流體的旋流運(yùn)動(dòng),形成了兩個(gè)縱向渦;擾流片背面的逆壓梯度產(chǎn)生了回流并形成回流渦?？v向渦強(qiáng)化了壁面與流動(dòng)中心的對(duì)流傳遞過(guò)程,發(fā)夾渦則強(qiáng)化了主流區(qū)的流動(dòng)混合,兩種渦的共同作用加速了壁面的熱量交換,實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)化傳熱。

利用萘升華傳質(zhì)/傳熱比擬實(shí)驗(yàn)方法,研究了縱向渦產(chǎn)生器攻擊角對(duì)橢圓管板式翅片換熱和阻力特性的影響,分析了縱向渦錯(cuò)排橢圓管板式翅片換熱器在不同縱向渦產(chǎn)生器的攻擊角時(shí)的傳熱與阻力特性,為換熱器設(shè)計(jì)提供了一定的理論依據(jù)。

以垂直向上窄縫矩形通道內(nèi)去離子水為流動(dòng)介質(zhì),對(duì)單相等溫流動(dòng)及恒熱流密度條件下的單相傳熱進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明,窄縫矩形通道內(nèi)的單相等溫流動(dòng)特性及單相傳熱特性并未偏離常規(guī)尺度通道內(nèi)的相關(guān)規(guī)律,采用經(jīng)典理論解或關(guān)系式能獲得較好的預(yù)測(cè)結(jié)果。

在現(xiàn)代科學(xué)的許多領(lǐng)域,換熱器是不可缺少的重要設(shè)備。隨著人們對(duì)節(jié)能問(wèn)題的日益重視,新型強(qiáng)化傳熱技術(shù)的應(yīng)用和高效換熱器的研制也變得越來(lái)越重要。橢圓管式換熱器因?yàn)槠涞妥杼匦?近年來(lái)受到越來(lái)越多的關(guān)注。通過(guò)應(yīng)用萘升華傳質(zhì)/傳熱比擬技術(shù),在雷諾數(shù)為500～3500范圍內(nèi),對(duì)三排橢圓管光板換熱板芯進(jìn)行了平均傳質(zhì)/傳熱實(shí)驗(yàn)研究,在不同雷諾數(shù)下對(duì)三排錯(cuò)排橢圓管換熱板芯進(jìn)行了光板與加設(shè)三角小翼式cfu和cfd渦產(chǎn)生器的局部傳質(zhì)/傳熱實(shí)驗(yàn)研究,并在此基礎(chǔ)上分析對(duì)比了兩種不同位置渦產(chǎn)生器條件下的強(qiáng)化傳熱效果。

應(yīng)用cfd軟件模擬分析流體在豎波紋管和豎直圓管內(nèi)的降膜流動(dòng)情況,采用立式蒸發(fā)式冷凝器試驗(yàn)平臺(tái),在不同噴淋密度下,測(cè)量溫度和流量等參數(shù),計(jì)算波紋管管內(nèi)各相間傳熱傳質(zhì)系數(shù),并與相同參數(shù)(流速、溫度)條件下圓管管內(nèi)傳熱傳質(zhì)系數(shù)進(jìn)行比較。模擬結(jié)果表明,在相同的噴淋密度下,波紋管豎管內(nèi)水膜分布較圓管均勻;試驗(yàn)結(jié)果表明,隨著噴淋密度在一定范圍內(nèi)增加,水膜傳熱系數(shù)、空氣-水當(dāng)量傳熱系數(shù)、總傳熱傳質(zhì)系數(shù)均增大,且波紋管的傳熱性能明顯優(yōu)于圓管。

指出了目前新風(fēng)機(jī)組中使用板形翅片圓管簇?fù)Q熱器的缺陷，介紹了板形翅片橢圓管簇?fù)Q熱器的優(yōu)點(diǎn)及計(jì)算方法，評(píng)價(jià)了帶有翅片橢圓管簇?fù)Q熱器的新風(fēng)機(jī)組的應(yīng)用前景。

以去離子水為流動(dòng)工質(zhì),對(duì)梯形截面的硅基微通道熱沉進(jìn)行了流體流動(dòng)與傳熱的實(shí)驗(yàn)研究.通過(guò)測(cè)量流體的流量、進(jìn)出口壓降與溫度、熱沉底面加熱膜溫度,獲得了梯形硅基微通道熱沉在不同體積流量、不同加熱功率條件下流體流動(dòng)與傳熱特性參數(shù).實(shí)驗(yàn)得出,梯形微通道的流體傳熱特性值與經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)值相比存在明顯的差異,梯形微通道角區(qū)對(duì)流體流動(dòng)與傳熱有重要影響.最后,在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式修正得出層流條件下的梯形硅基微通道的對(duì)流換熱關(guān)聯(lián)式.

內(nèi)螺紋管作為一種高效的節(jié)能元件已在動(dòng)力、航天、電子等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用,為進(jìn)一步促進(jìn)內(nèi)螺紋強(qiáng)化傳熱技術(shù)研發(fā),對(duì)近30年來(lái)內(nèi)螺紋管內(nèi)流動(dòng)傳熱研究進(jìn)行了綜述,內(nèi)容涉及內(nèi)螺紋管內(nèi)流動(dòng)傳熱機(jī)理、傳熱規(guī)律、傳熱惡化及預(yù)報(bào)等.

以某帶鋼生產(chǎn)線為參考,以空氣為介質(zhì)對(duì)條縫式噴嘴進(jìn)行研究。通過(guò)數(shù)值模擬研究整個(gè)條縫式噴氣冷卻器的流動(dòng)特性、噴射冷卻介質(zhì)與帶鋼表面的傳熱特性;以及風(fēng)箱的風(fēng)量變化與風(fēng)箱內(nèi)壓差的關(guān)系,結(jié)果表明,在此模型下冷卻器內(nèi)的流體流動(dòng)均勻,鋼板表面也冷卻均勻,滿足工藝要求;此外風(fēng)箱內(nèi)壓差隨風(fēng)量基本呈直線遞增趨勢(shì)。

風(fēng)冷翅片管換熱器傳熱特性研究——以銅鋁復(fù)合翅片管為研究對(duì)象，結(jié)合翅片管換熱器傳熱性能分析，給出其傳熱過(guò)程的物理模型。通過(guò)流固界面?zhèn)鳠狁詈希糜?jì)算流體力學(xué)(cfd)軟件進(jìn)行模擬，對(duì)翅片管在不同風(fēng)速、風(fēng)溫下的翅片管換熱過(guò)程中溫度場(chǎng)的分布進(jìn)行數(shù)值模擬...

以水為介質(zhì),采用k-ε模型,用數(shù)值模擬方法研究了5種不同結(jié)構(gòu)的螺旋扭曲橢圓管換熱器的管外殼程傳熱與流阻性能,并和采用橢圓管作為換熱部件的換熱器進(jìn)行了比較。研究結(jié)果表明,螺旋扭曲橢圓管換熱器殼程有較好的強(qiáng)化換熱特性,螺旋扭曲橢圓管的幾何尺寸和流體流動(dòng)速度對(duì)殼程傳熱與流阻性能有重要影響。通過(guò)數(shù)值模擬所獲得的規(guī)律為螺旋扭曲橢圓管換熱器的設(shè)計(jì)研發(fā)提供了參考。

采用有限元方法分析含橢圓度的管道在內(nèi)壓作用下的應(yīng)力分布和塑性極限載荷,考察不同橢圓度、壁厚以及管徑條件下,管道應(yīng)力分布和極限載荷值的變化。結(jié)果表明,含橢圓度管道的最大應(yīng)力隨橢圓度的增大而迅速增大,管道極限載荷值隨橢圓度增大而線性減小,橢圓度、壁厚及管徑對(duì)管道的安全性有很大影響。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)與三維數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,對(duì)內(nèi)置螺旋線圈平行平板通道的流動(dòng)及傳熱特性進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)相對(duì)于無(wú)擾流填充物的平板通道,螺旋線圈的應(yīng)用能夠顯著地強(qiáng)化傳熱,相同re數(shù)下nu數(shù)增幅為29%~141%,相應(yīng)地阻力系數(shù)增幅為26%~175%。數(shù)值模擬的結(jié)果顯示,流體受螺旋線圈的誘導(dǎo)可產(chǎn)生多縱向渦流動(dòng),增強(qiáng)了速度在垂直于壁面方向的分量,同時(shí)導(dǎo)致溫度場(chǎng)發(fā)生明顯改變,使得速度場(chǎng)與溫度梯度場(chǎng)的協(xié)同性能得到提升,從而強(qiáng)化了傳熱。在700<re<7500的范圍內(nèi),通過(guò)對(duì)流動(dòng)換熱綜合性能參數(shù)的比較發(fā)現(xiàn),在re數(shù)較小時(shí),強(qiáng)化傳熱后換熱效果的提升要大于流動(dòng)阻力的增加,而在re數(shù)較高時(shí)則相反。

對(duì)水平放置矩形截面螺旋通道內(nèi)彈狀流的流動(dòng)特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得了不同周角下的氣彈演變過(guò)程和局部流動(dòng)特征,結(jié)果表明,其流動(dòng)特性會(huì)隨著螺旋周角位置的變化而變化。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn),同一工況下,不同轉(zhuǎn)角氣彈的運(yùn)動(dòng)速度、頻率和長(zhǎng)度分布不盡相同。重力和離心力的相對(duì)大小決定著內(nèi)外壁面液膜的厚度,給出了同一條件下,不同時(shí)刻的液膜厚度的演變過(guò)程。最后對(duì)下降液膜的運(yùn)動(dòng)速度展開了分析研究,在螺旋上升過(guò)程中,液膜下降速度逐漸減小,在螺旋下降段,液膜速度明顯增大。

本文對(duì)空氣在百葉窗翅片內(nèi)部流動(dòng)和傳熱建立了三維數(shù)值計(jì)算模型。計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)所提供的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比,在整個(gè)計(jì)算范圍內(nèi),re=0-1500,j和f的平均偏差分別為1.96%和10.5%。在深入揭示百葉窗翅片流動(dòng)機(jī)理的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步比較了百葉窗翅片開窗角度la和換向區(qū)長(zhǎng)度s對(duì)其傳熱和流動(dòng)阻力的影響,分析結(jié)果為百葉窗翅片的模具制作及其優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

對(duì)水力直徑90.6μm、寬深比9.668的矩形硅微通道中的流動(dòng)冷凝過(guò)程進(jìn)行了可視化研究。研究發(fā)現(xiàn),寬矩形硅微通道中的冷凝,沿程主要有珠狀-環(huán)狀復(fù)合流、噴射流和彈狀-泡狀流等流型。在珠狀-環(huán)狀復(fù)合流區(qū),冷凝液膜可覆蓋通道豎直側(cè)壁,而在通道長(zhǎng)邊上,仍然為珠狀凝結(jié)。噴射流位置隨著入口蒸氣reynolds數(shù)的增大而延后,通道截面形狀對(duì)流動(dòng)冷凝不穩(wěn)定性也存在很大影響。噴射流之后為彈狀-泡狀流,彈狀氣泡沿程逐漸縮短,并在表面張力的作用下收縮成圓球形氣泡。冷凝通道的平均傳熱系數(shù)將隨著入口蒸氣reynolds數(shù)的增大而增大。

通過(guò)對(duì)比不同結(jié)構(gòu)尺寸的垂直上升內(nèi)螺紋管在亞臨界及超臨界壓力下的傳熱系數(shù)計(jì)算關(guān)聯(lián)式,結(jié)果表明:傳熱系數(shù)隨著質(zhì)量流量的增大、壓力及熱負(fù)荷的減小而增大;換熱系數(shù)峰值在兩相沸騰區(qū);在超臨界壓力區(qū),由于水在擬臨界附近變化劇烈,在擬臨界焓值區(qū)傳熱系數(shù)有最大值。內(nèi)螺紋管結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)傳熱特性的影響與無(wú)因次數(shù)n有密切關(guān)系。

在壓力9～22mpa,質(zhì)量流速450～2000kg·m?2·s?1,內(nèi)壁熱負(fù)荷200～700kw·m?2的參數(shù)范圍內(nèi),試驗(yàn)研究了用于1000mw超超臨界鍋爐??28.6mm×5.8mm垂直上升內(nèi)螺紋水冷壁管內(nèi)汽水流動(dòng)沸騰傳熱。研究表明:內(nèi)螺紋管內(nèi)壁螺紋的漩流作用可抑制偏離核態(tài)沸騰(dnb)傳熱惡化,內(nèi)螺紋管在高干度區(qū)發(fā)生蒸干型(do)傳熱惡化。增大質(zhì)量流速可推遲壁溫飛升,壁溫飛升幅度隨質(zhì)量流速增大而降低。熱負(fù)荷越大管壁溫越高,隨熱負(fù)荷增大管壁壁溫飛升提前,且傳熱惡化后壁溫飛升值增大。隨著壓力增加,壁溫飛升發(fā)生干度值減小。內(nèi)螺紋管汽水流動(dòng)沸騰傳熱系數(shù)呈?形分布,傳熱系數(shù)峰值出現(xiàn)在汽水沸騰區(qū)。文中還給出了亞臨界壓力區(qū)內(nèi)螺紋管單相區(qū)和汽水沸騰區(qū)的傳熱系數(shù)試驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。