開孔矩形翅片橢圓管流動與換熱特性的數(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(guān)系以滿足產(chǎn)品設(shè)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(cè)阻力性能的關(guān)系。

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)上安全運行3年多。

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(yīng)的傳熱關(guān)聯(lián)方程式及阻力方程式,可供工程設(shè)計時參考。

本文通過三維數(shù)值模擬的方法研究了混合對流作用下u型管管內(nèi)的換熱特性,分析了管內(nèi)截面自然對流對管內(nèi)層流換熱的影響及主流速度、壁面熱流密度和u型管傾角等參數(shù)對管內(nèi)混合對流換熱特性的影響。結(jié)果表明:與純強制對流相比混合對流作用下其管內(nèi)換熱系數(shù)顯著增大;在混合對流作用下,隨壁面熱流密度增大,管內(nèi)換熱增強,但隨進口流速或u型管傾角的增大時,管內(nèi)換熱減弱。

在現(xiàn)代科學的許多領(lǐng)域,換熱器是不可缺少的重要設(shè)備。隨著人們對節(jié)能問題的日益重視,新型強化傳熱技術(shù)的應(yīng)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(guān)注。通過應(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),對三排橢圓管光板換熱板芯進行了平均傳質(zhì)/傳熱實驗研究,在不同雷諾數(shù)下對三排錯排橢圓管換熱板芯進行了光板與加設(shè)三角小翼式cfu和cfd渦產(chǎn)生器的局部傳質(zhì)/傳熱實驗研究,并在此基礎(chǔ)上分析對比了兩種不同位置渦產(chǎn)生器條件下的強化傳熱效果。

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(yīng)用前景。

利用萘升華傳質(zhì)/傳熱比擬實驗方法,研究了縱向渦產(chǎn)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(chǎn)生器的攻擊角時的傳熱與阻力特性,為換熱器設(shè)計提供了一定的理論依據(jù)。

對旋轉(zhuǎn)矩形通道內(nèi)的湍流流動和換熱進行了直接數(shù)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(zhuǎn)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(jié)果表明:在不考慮離心力的作用時,隨旋轉(zhuǎn)數(shù)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(zhuǎn)數(shù)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(zhuǎn)軸向出流,平均速度增大,平均湍動能增大,而對于徑向旋轉(zhuǎn)軸向入流,結(jié)果相反.在旋轉(zhuǎn)數(shù)為1.5時,與不考慮浮升力相比,對于徑向旋轉(zhuǎn)軸向出流,平均湍動能增大了17%,而對于徑向旋轉(zhuǎn)軸向入流,平均湍動能減小了43%.

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(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)計研發(fā)提供了參考。

根據(jù)標準平橢圓管各部位間的尺寸存在著固定系數(shù)關(guān)系和替代關(guān)系,通過一定數(shù)學變換,推導(dǎo)出一種針對標準平橢圓管孔型的系數(shù)設(shè)計方法;獲得了對所有標準平橢圓管孔型都適用的各道次變形系數(shù)λi,并且直接利用系數(shù)λi與標準平橢圓管管頭曲率半徑r之間的關(guān)系,設(shè)計標準平橢圓管各道孔型各部位變形尺寸。該方法既簡化了孔型設(shè)計程序,又提高了設(shè)計效率。

對水平放置矩形截面螺旋通道內(nèi)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(jié)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(jù)實驗數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn),同一工況下,不同轉(zhuǎn)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(nèi)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。

本文以去離子水為工質(zhì)進行實驗,研究垂直矩形窄通道換熱特性。采用單側(cè)壁面加熱,改變工質(zhì)流動參數(shù),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(shù)。實驗表明:以對流沸騰為主的階段,換熱系數(shù)隨著質(zhì)量流速的增加而增加,入口溫度對于換熱系數(shù)基本沒有影響;當干度χ0.1時,換熱系數(shù)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(shù)隨干度的增加而略微上升,隨入口溫度的升高而增加。

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(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(shù)將隨著入口蒸氣reynolds數(shù)的增大而增大。

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、壁厚及管徑對管道的安全性有很大影響。

采用ansyscfx商用軟件對帶肋矩形直通道內(nèi)的冷卻空氣換熱特性進行了數(shù)值計算,并與文獻[4]的實驗數(shù)據(jù)進行了對比,分析了雷諾數(shù)re和肋片角度對努塞爾特數(shù)nu的影響。結(jié)果表明:nu數(shù)計算平均值與實驗值的變化趨勢一致,但計算結(jié)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(chǎn)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(shù)的增大,nu數(shù)增大,平均摩擦阻力系數(shù)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。

通過建立數(shù)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(jié)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(guān)。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。

以垂直向上窄縫矩形通道內(nèi)去離子水為流動介質(zhì),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(jié)果表明,窄縫矩形通道內(nèi)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(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)測結(jié)果。

對水平管道內(nèi)顆粒物運動規(guī)律進行研究。應(yīng)用粒子圖像測速(piv)技術(shù),在不同的氣體流量下,對矩形管道在兩種不同結(jié)構(gòu)下的氣固兩相流的流動情況進行了測量,得到了平直通道和帶肋通道中氣體及固體顆粒的時均速度場,并分析比較了管道結(jié)構(gòu)及氣體流量對速度和粒子沉積的影響,發(fā)現(xiàn)加肋有助于粒子的沉積,且使通道內(nèi)流動狀態(tài)發(fā)生了較大改變。對深入了解管道內(nèi)氣固兩相流動狀況及數(shù)值模擬結(jié)果的評價提供了參考。

外徑（mm）厚度(mm)長度（mm）密度（kg/m3）外表面積（mm2） 601.210007850188495.556 直徑（mm）長度（mm）密度（kg/m3）外表面積（mm2） 4260007850791681.3352 截面長（mm）截面寬(mm)厚度（mm）長度（mm）密度（kg/m3） 15151.210007850 截面長（mm）截面寬(mm)長度（mm）密度（kg/m3） 1007047850 只要輸入黃色規(guī)格就可以，重量自動計算 圓管重量計算 圓鋼重量計算（實心） 矩形管重量計算 長，方鋼類重量計算（實心） 重量(kg) 1.740115575 普通碳鋼7800 重量(kg)304/316不銹鋼8000 65.25433405 外表面積（mm2）重量(kg) 600000.5199

以氮氣和水為實驗介質(zhì),利用高速攝像機對水力直徑為1.15mm的矩形小通道內(nèi)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(nèi)氣泡之間相互無遮掩性的優(yōu)勢,運用圖像處理技術(shù)對流型圖像分形增強,檢測氣泡邊緣并填充后根據(jù)提出的氣相體積模型,得到兩相流動的含氣率。結(jié)合實驗數(shù)據(jù),根據(jù)分液相reynolds數(shù)把流動分為層流區(qū)、過渡區(qū)和紊流區(qū),并對chisholm關(guān)系式進行修正,結(jié)果表明:修正后的壓降模型能較好地預(yù)測本文實驗結(jié)果。

萊芫鐵礦馬莊東副進采用橢圓進代替矩形井進行豎井延深，通過精心的設(shè)計和科學的組織與管理，取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟效益。