內插梯形擾流片矩形通道內渦流和傳熱特性

針對光滑窄矩形通道內簡諧脈動流層流-紊流(re范圍為750~4450)過渡特性進行實驗研究。研究發(fā)現(xiàn),脈動流加速階段,摩阻系數大于穩(wěn)態(tài)摩阻系數,而在減速階段摩阻系數小于穩(wěn)態(tài)摩阻系數。womersley數對層流-紊流臨界re有顯著影響,在脈動流加速階段,臨界re隨womersley數的增大而減小,而在脈動減速部分則相反。通過實驗擬合出一適用于預測臨界轉捩點的經驗公式,且與穩(wěn)態(tài)有著良好的銜接。

針對簡諧脈動層流條件下矩形通道內的阻力特性進行理論和實驗研究?；诿}動條件下矩形通道內層流流動的數學模型,分析了脈動周期、脈動振幅等因素對摩阻常數的影響,并進行實驗驗證。結果表明:脈動層流摩阻常數與脈動周期、脈動振幅、通道高寬比和流體性質有關;層流摩阻常數理論值與實驗值相吻合,脈動周期越小或相對振幅越大,層流摩阻常數的峰值越大、谷值越小,層流摩阻常數脈動的幅度越大。

對水平放置矩形截面螺旋通道內彈狀流的流動特性進行了實驗研究。通過實驗獲得了不同周角下的氣彈演變過程和局部流動特征,結果表明,其流動特性會隨著螺旋周角位置的變化而變化。根據實驗數據分析發(fā)現(xiàn),同一工況下,不同轉角氣彈的運動速度、頻率和長度分布不盡相同。重力和離心力的相對大小決定著內外壁面液膜的厚度,給出了同一條件下,不同時刻的液膜厚度的演變過程。最后對下降液膜的運動速度展開了分析研究,在螺旋上升過程中,液膜下降速度逐漸減小,在螺旋下降段,液膜速度明顯增大。

以垂直向上窄縫矩形通道內去離子水為流動介質,對單相等溫流動及恒熱流密度條件下的單相傳熱進行了實驗研究。結果表明,窄縫矩形通道內的單相等溫流動特性及單相傳熱特性并未偏離常規(guī)尺度通道內的相關規(guī)律,采用經典理論解或關系式能獲得較好的預測結果。

對耦合了熱輻射的垂直矩形通道內的混合對流情況進行了實驗研究和數值模擬分析。研究表明:空氣在通道內向上流動時,隨著浮升力作用的增大,對流換熱能力表現(xiàn)出先減小后增強的趨勢;熱輻射在換熱過程中起著重要的作用,并隨著對流換熱能力的減弱而增強。數值模擬在浮升力影響較小時可以給出較好的結果,當浮升力影響比較大時,數值模擬計算的結果與實驗有較大的偏差。

采用聲學多普勒流速儀adv,對矩形水槽中梯形邊墩周圍水流紊動特性進行系統(tǒng)的試驗研究,并對紊動強度3個方向分量進行了較深入的分析。根據試驗數據,通過對柱體周圍不同垂直面上紊動強度的分析對比,得出行進水流受到邊墩的影響程度,在柱體上游,受到柱體擠壓,紊動強烈;在柱體下游,水流從柱體分離,形成逆向回流,紊動強度增大,垂向紊動強度很小,可以忽略。實驗可為研究水流紊動結構及橋梁梯形邊墩的紊動特性提供驗證資料。

文章采用激光影像放大系統(tǒng),對垂直放置的100μm×800μm矩形微通道內氣液二相流流型進行了實驗觀測和研究,實驗物系為乙醇-空氣體系。根據實驗結果繪制出流型轉換圖,并進行了分析和討論。實驗觀測到彈狀流、液環(huán)-彈狀流、液環(huán)流、液環(huán)-分層流、分層流和波狀流,而未觀察到氣泡直徑小于微通道內徑的氣泡流,其中穩(wěn)定的分層流文獻中尚未見報道。

采用在管道增加梯形開口節(jié)流片的方式,使高壓水流形成螺旋流,達到消能減壓的目的。研究了梯形開口節(jié)流片消能裝置沿程水頭變化、節(jié)流片在不同轉角和雷諾數下的消能效率,結果表明:梯形開口節(jié)流片消能裝置后壓力明顯降低,該部位為消能的主力區(qū)且有較好的消能效果;梯形開口節(jié)流片在相同開口情況下,消能裝置的消能效率隨節(jié)流片之間扭轉角度的增大而增大,隨主管道水流雷諾數的增大而增大;利用梯形開口節(jié)流片消能裝置能有效消除管道中的多余能量,通過調節(jié)節(jié)流片之間的扭轉角度來控制消能裝置的消能效率是可行的。

采用ansyscfx商用軟件對帶肋矩形直通道內的冷卻空氣換熱特性進行了數值計算,并與文獻[4]的實驗數據進行了對比,分析了雷諾數re和肋片角度對努塞爾特數nu的影響。結果表明:nu數計算平均值與實驗值的變化趨勢一致,但計算結果大于實驗值;由于肋片的擾流作用,在兩個肋片之間的壁面區(qū)域產生了兩個旋渦,強化了冷卻空氣與固體壁面的換熱;隨著re數的增大,nu數增大,平均摩擦阻力系數也增大;當肋片角度在45°～60°之間時,冷卻通道的強化對流換熱效果最好。

以氮氣和水為實驗介質,利用高速攝像機對水力直徑為1.15mm的矩形小通道內的氣液兩相垂直向上流動特性進行可視化研究,依次得到泡狀流、彈狀流、攪拌流和環(huán)狀流4種典型的流型圖像。針對小通道內氣泡之間相互無遮掩性的優(yōu)勢,運用圖像處理技術對流型圖像分形增強,檢測氣泡邊緣并填充后根據提出的氣相體積模型,得到兩相流動的含氣率。結合實驗數據,根據分液相reynolds數把流動分為層流區(qū)、過渡區(qū)和紊流區(qū),并對chisholm關系式進行修正,結果表明:修正后的壓降模型能較好地預測本文實驗結果。

通過建立數學模型,對大寬高比矩形通道單相低頻脈動層流流動特性進行了分析。研究結果表明:低頻率流量脈動未引起流體的速度分布變化,壓降與流量間存在相位差,相位差僅與通道窄邊尺寸、流體粘性及脈動周期相關。脈動周期及流體粘性越大,相位差越小;窄邊尺寸越大,相位差越大。通過建立模型對上述現(xiàn)象進行了分析。

對水力直徑90.6μm、寬深比9.668的矩形硅微通道中的流動冷凝過程進行了可視化研究。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)狀復合流、噴射流和彈狀-泡狀流等流型。在珠狀-環(huán)狀復合流區(qū),冷凝液膜可覆蓋通道豎直側壁,而在通道長邊上,仍然為珠狀凝結。噴射流位置隨著入口蒸氣reynolds數的增大而延后,通道截面形狀對流動冷凝不穩(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將隨著入口蒸氣reynolds數的增大而增大。

本文以去離子水為工質進行實驗,研究垂直矩形窄通道換熱特性。采用單側壁面加熱,改變工質流動參數,分析沿流動方向的壁面溫度分布特性和測溫點處的局部換熱系數。實驗表明:以對流沸騰為主的階段,換熱系數隨著質量流速的增加而增加,入口溫度對于換熱系數基本沒有影響;當干度χ0.1時,換熱系數隨著干度的增加而基本保持不變。以核態(tài)沸騰為主的階段,換熱系數隨干度的增加而略微上升,隨入口溫度的升高而增加。

對旋轉矩形通道內的湍流流動和換熱進行了直接數值模擬.非穩(wěn)態(tài)n-s方程的空間離散采用二階中心差分法,時間推進采用二階顯式adams-bashforth格式.分析了旋轉對通道截面上主流平均速度、截面流速以及截面平均溫度的影響,結果表明:在不考慮離心力的作用時,隨旋轉數的增大,管道截面的平均速度減小,平均湍動能減小,與靜止時相比,旋轉數為1.5時平均湍動能減小了33%;在考慮離心力的影響時,對于徑向旋轉軸向出流,平均速度增大,平均湍動能增大,而對于徑向旋轉軸向入流,結果相反.在旋轉數為1.5時,與不考慮浮升力相比,對于徑向旋轉軸向出流,平均湍動能增大了17%,而對于徑向旋轉軸向入流,平均湍動能減小了43%.

運用數值計算的方法將流動方向擾流圓柱排列密度對渦輪葉片尾緣冷卻通道中流動傳熱的影響進行了三維數值研究。研究了流動雷諾數、流動方向圓柱排列密度對肋柱擾流矩形通道表面?zhèn)鳠嵊绊懙囊?guī)律。計算結果表明:在研究范圍內,肋柱表面的平均nu均隨著re的增大而增大。在re相同的情況下,隨x/d取值的增大,肋柱表面平均nu有所減小。nu在通道進口附近逐漸增加,然后達到充分發(fā)展值。傳熱在迎向流動方向的圓柱側較強,在流動向背側表面?zhèn)鳠彷^弱。沿圓柱高度方向在中部傳熱較強。

常壓下,以空氣和水為工質,對寬高比不同的兩個矩形通道內兩相流動摩擦阻力特性進行了研究,并對常規(guī)通道和微小通道內兩相壓降的計算模型進行了驗證和評價。結果表明:傳統(tǒng)的常規(guī)通道經驗關系式并不適用于窄矩形通道中的壓降計算;基于微小通道的計算方法中,lee-lee模型與實驗值符合程度較好,但在一定的參數范圍內仍存在較大誤差。提出基于chen模型的chisholmc系數方法的修正關系式,式中綜合考慮了矩形通道寬高比、全液相雷諾數和l-m參數對chisholmc系數的影響,修正關系式與實驗值符合較好。

通過實驗與三維數值模擬相結合的方法,對內置螺旋線圈平行平板通道的流動及傳熱特性進行了研究,發(fā)現(xiàn)相對于無擾流填充物的平板通道,螺旋線圈的應用能夠顯著地強化傳熱,相同re數下nu數增幅為29%~141%,相應地阻力系數增幅為26%~175%。數值模擬的結果顯示,流體受螺旋線圈的誘導可產生多縱向渦流動,增強了速度在垂直于壁面方向的分量,同時導致溫度場發(fā)生明顯改變,使得速度場與溫度梯度場的協(xié)同性能得到提升,從而強化了傳熱。在700<re<7500的范圍內,通過對流動換熱綜合性能參數的比較發(fā)現(xiàn),在re數較小時,強化傳熱后換熱效果的提升要大于流動阻力的增加,而在re數較高時則相反。

對微矩形溝槽熱管的傳熱極限進行數學建模,并通過實驗討論分析熱管工質物性群數nl、幾何結構群數ge和重力比數hg三者對其傳熱極限的影響作用。研究表明,qc與ge和hg呈近似指數增長變化,而與nl成線性增長關系。熱管運行于較高溫度、合理的幾何結構和有效利用重力的輔助作用,可明顯提高熱管的傳熱能力,同時也證明了該傳熱極限模型的正確性。

對寬度為1和0.1mm豎直矩形細通道內的沸騰換熱展開研究,通過數值模擬的方法探索汽泡生成、長大和脫離的過程;用幾何重構和界面追蹤的方法獲取相界面移動和變化對系統(tǒng)內壓差以及平均表面換熱系數的影響,計算中考慮了重力、表面張力和壁面黏性的作用。發(fā)現(xiàn):通道寬度的不同對汽泡生長方式和汽泡形態(tài)產生很大影響,并由此導致臨界熱流密度的變化;表面張力在細通道沸騰換熱過程中所起的作用要遠遠大于重力;隨著通道尺寸的減小,沸騰換熱系數明顯增大,證明了細通道有強化換熱的作用;由于數值計算中進行的理想化假設,導致數值模擬的沸騰換熱系數比現(xiàn)有細通道沸騰換熱實驗數據普遍偏高。

可視化研究窄縫通道內汽泡生長和脫離對于揭示窄縫通道內的沸騰傳熱機理具有重要意義。本文采用高速攝影儀從寬面和窄面可視化觀察了常壓條件下矩形窄縫通道內汽泡核化生長和脫離規(guī)律。研究結果表明,汽泡在核化點生長時,汽泡底部與加熱面存在一小的接觸面,總體而言,汽泡在生長過程中基本呈球狀。在相同熱工參數下,不同核化點處汽泡生長規(guī)律基本相同,但汽泡脫離直徑相差較大。窄縫通道內汽泡生長速率小,脫離時間較長,可采用修正的zuber公式預測窄縫通道內汽泡生長直徑。在同一拍攝窗口內,統(tǒng)計分析了熱工參數對汽泡平均脫離直徑的影響規(guī)律。隨熱流密度的增加,汽泡平均脫離直徑減小;隨入口欠熱度的增加,汽泡平均脫離直徑減小;隨主流速度的增加,汽泡平均脫離直徑減小。

在建設工程領域，矩形柱和矩形梁都是常見的結構元素。本文將對矩形柱和矩形梁進行對比，從材料、設計、施工等方面進行詳細說明，以幫助讀者更好地理解和應用這兩種結構元素。

根據試驗測得的矩形渠道在不同流量、不同閘門開度情況下的閘前流速、水深、流量數據和計算的閘前各斷面的動能修正系數,對閘前流速分布規(guī)律進行了研究,結果表明:在同一閘門開度、同一流量下,隨著距閘前距離的增大,動能修正系數減小,即流速分布越來越均勻;在同一閘門開度、同一斷面下,隨著流量的增大,動能修正系數增大,即流速分布越來越不均勻;在同一斷面、同一流量下,隨著閘門開度的變大,動能修正系數變小,即流速分布越來越均勻。