開孔矩形翅片橢圓管流動及傳熱特性的數值

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小樣,通過實驗得出其換熱和管外阻力性能及二者與迎面風速的關系以滿足產品設計優(yōu)選的需要,同時還按近似等換熱面積制造了一個鋼管鋁軋片式圓管族小樣,與其進行對比實驗。

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研究。通過對小樣放熱及阻力的試驗，得出不同迎面風速下的放熱性能及空氣側阻力性能的關系。

通過對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行熱力及阻力性能試驗,給出了相應的傳熱關聯方程式及阻力方程式,可供工程設計時參考。

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)上安全運行3年多。

利用realizablek-ε湍流模型對帶缺口的梯形擾流片進行流動和傳熱特性的數值模擬,研究了梯形擾流片的缺口位置及流動方式對矩形通道內流場以及傳熱的影響,同時通過對渦量、流線、流速分布、壓力變化、湍流強度等的分析,揭示了擾流片強化傳熱的機理。結果表明,逆流時nusselt數比順流時提高了21.7%,同時摩擦因子也提高了25%。順流時內側缺口繞流片提高了傳熱系數的同時也增加了摩擦阻力,而外側缺口的繞流片降低了傳熱系數同時也降低了形狀阻力。研究發(fā)現較低reynolds數下(10000<re<14000),逆流體現了較好的綜合性能,但較高reynolds數下(14000<re<20000),帶缺口的繞流片則表現更好的綜合性能。由于kelvin-helmholtz不穩(wěn)定性導致了繞流片頂端后緣產生自由剪切層并誘發(fā)了發(fā)夾渦;繞流片的前后壓差導致了流場內流體的旋流運動,形成了兩個縱向渦;擾流片背面的逆壓梯度產生了回流并形成回流渦?？v向渦強化了壁面與流動中心的對流傳遞過程,發(fā)夾渦則強化了主流區(qū)的流動混合,兩種渦的共同作用加速了壁面的熱量交換,實現了強化傳熱。

利用萘升華傳質/傳熱比擬實驗方法,研究了縱向渦產生器攻擊角對橢圓管板式翅片換熱和阻力特性的影響,分析了縱向渦錯排橢圓管板式翅片換熱器在不同縱向渦產生器的攻擊角時的傳熱與阻力特性,為換熱器設計提供了一定的理論依據。

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。

在現代科學的許多領域,換熱器是不可缺少的重要設備。隨著人們對節(jié)能問題的日益重視,新型強化傳熱技術的應用和高效換熱器的研制也變得越來越重要。橢圓管式換熱器因為其低阻特性,近年來受到越來越多的關注。通過應用萘升華傳質/傳熱比擬技術,在雷諾數為500～3500范圍內,對三排橢圓管光板換熱板芯進行了平均傳質/傳熱實驗研究,在不同雷諾數下對三排錯排橢圓管換熱板芯進行了光板與加設三角小翼式cfu和cfd渦產生器的局部傳質/傳熱實驗研究,并在此基礎上分析對比了兩種不同位置渦產生器條件下的強化傳熱效果。

應用cfd軟件模擬分析流體在豎波紋管和豎直圓管內的降膜流動情況,采用立式蒸發(fā)式冷凝器試驗平臺,在不同噴淋密度下,測量溫度和流量等參數,計算波紋管管內各相間傳熱傳質系數,并與相同參數(流速、溫度)條件下圓管管內傳熱傳質系數進行比較。模擬結果表明,在相同的噴淋密度下,波紋管豎管內水膜分布較圓管均勻;試驗結果表明,隨著噴淋密度在一定范圍內增加,水膜傳熱系數、空氣-水當量傳熱系數、總傳熱傳質系數均增大,且波紋管的傳熱性能明顯優(yōu)于圓管。

指出了目前新風機組中使用板形翅片圓管簇換熱器的缺陷，介紹了板形翅片橢圓管簇換熱器的優(yōu)點及計算方法，評價了帶有翅片橢圓管簇換熱器的新風機組的應用前景。

以去離子水為流動工質,對梯形截面的硅基微通道熱沉進行了流體流動與傳熱的實驗研究.通過測量流體的流量、進出口壓降與溫度、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與傳熱特性參數.實驗得出,梯形微通道的流體傳熱特性值與經驗公式預測值相比存在明顯的差異,梯形微通道角區(qū)對流體流動與傳熱有重要影響.最后,在實驗基礎上根據經驗公式修正得出層流條件下的梯形硅基微通道的對流換熱關聯式.

內螺紋管作為一種高效的節(jié)能元件已在動力、航天、電子等領域廣泛應用,為進一步促進內螺紋強化傳熱技術研發(fā),對近30年來內螺紋管內流動傳熱研究進行了綜述,內容涉及內螺紋管內流動傳熱機理、傳熱規(guī)律、傳熱惡化及預報等.

以某帶鋼生產線為參考,以空氣為介質對條縫式噴嘴進行研究。通過數值模擬研究整個條縫式噴氣冷卻器的流動特性、噴射冷卻介質與帶鋼表面的傳熱特性;以及風箱的風量變化與風箱內壓差的關系,結果表明,在此模型下冷卻器內的流體流動均勻,鋼板表面也冷卻均勻,滿足工藝要求;此外風箱內壓差隨風量基本呈直線遞增趨勢。

風冷翅片管換熱器傳熱特性研究——以銅鋁復合翅片管為研究對象，結合翅片管換熱器傳熱性能分析，給出其傳熱過程的物理模型。通過流固界面?zhèn)鳠狁詈希糜嬎懔黧w力學(cfd)軟件進行模擬，對翅片管在不同風速、風溫下的翅片管換熱過程中溫度場的分布進行數值模擬...

以水為介質,采用k-ε模型,用數值模擬方法研究了5種不同結構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行了比較。研究結果表明,螺旋扭曲橢圓管換熱器殼程有較好的強化換熱特性,螺旋扭曲橢圓管的幾何尺寸和流體流動速度對殼程傳熱與流阻性能有重要影響。通過數值模擬所獲得的規(guī)律為螺旋扭曲橢圓管換熱器的設計研發(fā)提供了參考。

采用有限元方法分析含橢圓度的管道在內壓作用下的應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,管道應力分布和極限載荷值的變化。結果表明,含橢圓度管道的最大應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、壁厚及管徑對管道的安全性有很大影響。

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,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,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。

本文對空氣在百葉窗翅片內部流動和傳熱建立了三維數值計算模型。計算結果與文獻所提供的實驗數據進行了對比,在整個計算范圍內,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機理的基礎上,進一步比較了百葉窗翅片開窗角度la和換向區(qū)長度s對其傳熱和流動阻力的影響,分析結果為百葉窗翅片的模具制作及其優(yōu)化設計提供了依據。

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,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。

通過對比不同結構尺寸的垂直上升內螺紋管在亞臨界及超臨界壓力下的傳熱系數計算關聯式,結果表明:傳熱系數隨著質量流量的增大、壓力及熱負荷的減小而增大;換熱系數峰值在兩相沸騰區(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)傳熱系數有最大值。內螺紋管結構參數對傳熱特性的影響與無因次數n有密切關系。

在壓力9～22mpa,質量流速450～2000kg·m?2·s?1,內壁熱負荷200～700kw·m?2的參數范圍內,試驗研究了用于1000mw超超臨界鍋爐??28.6mm×5.8mm垂直上升內螺紋水冷壁管內汽水流動沸騰傳熱。研究表明:內螺紋管內壁螺紋的漩流作用可抑制偏離核態(tài)沸騰(dnb)傳熱惡化,內螺紋管在高干度區(qū)發(fā)生蒸干型(do)傳熱惡化。增大質量流速可推遲壁溫飛升,壁溫飛升幅度隨質量流速增大而降低。熱負荷越大管壁溫越高,隨熱負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。內螺紋管汽水流動沸騰傳熱系數呈?形分布,傳熱系數峰值出現在汽水沸騰區(qū)。文中還給出了亞臨界壓力區(qū)內螺紋管單相區(qū)和汽水沸騰區(qū)的傳熱系數試驗關聯式。