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超临界流体水平流动换热中浮升力效应分析与判据评价

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动力工程学报 2021年第6期41卷 474-480页

作者：蒲星宇李舟航昆明理工大学冶金节能减排教育部工程研究中心昆明650093 昆明理工大学冶金化工节能环保技术国家地方联合工程研究中心昆明650093

为了准确判断浮升力对换热模型精度的影响,收集整理了多种超临界流体(水、CO_(2)和R125等)水平流动换热的实验数据,对不同浮升力影响判断准则进行了评价,并提出了对浮升力判别式展开修正应遵循的原则。结果表明:目前被广泛认为适应性最... 详细信息

为了准确判断浮升力对换热模型精度的影响,收集整理了多种超临界流体(水、CO_(2)和R125等)水平流动换热的实验数据,对不同浮升力影响判断准则进行了评价,并提出了对浮升力判别式展开修正应遵循的原则。结果表明:目前被广泛认为适应性最好的判别式Gr_(q)/Gr_(th)仍存在拟气区表现效果不佳、拟液区与拟气区数值无一致性、其峰值对应的主流焓值与壁温差峰值对应的主流焓值无相关性等局限性;壁温差峰值处流体焓值也是衡量管内浮升力影响程度的重要因素。

关键词：超临界压力流体水平流动传热浮升力效应判据

管壁局部粗糙对水平超临界二氧化碳湍流传热的影响

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中国电机工程学报 2023年第23期43卷 9214-9223页

作者：王建勇杨军雷玟中山大学·深圳航空航天学院广东省深圳市518107 中山大学航空航天学院广东省广州市510275

为改善水平管内超临界二氧化碳(supercritical carbon dioxide,S-CO_(2))湍流传热,该文对管壁引入简易的均匀砂粗糙,并基于水平超临界流动传热特征,创新性地提出上壁面(传热恶化)附近特定区域粗糙化方案。模拟计算中,采用k-ωSST湍流模... 详细信息

为改善水平管内超临界二氧化碳(supercritical carbon dioxide,S-CO_(2))湍流传热,该文对管壁引入简易的均匀砂粗糙,并基于水平超临界流动传热特征,创新性地提出上壁面(传热恶化)附近特定区域粗糙化方案。模拟计算中,采用k-ωSST湍流模型并对其关于粗糙管流传热预测进行了验证以展示其可靠性,而后对管径d=4.57mm水平管道内S-CO_(2)的流动传热展开探究,并讨论局部粗糙化范围以及关键因素浮升力的影响。结果表明:管道上壁面特定区域粗糙化能显著降低上壁面温度,增强该区域S-CO_(2)传热性能,继而有效改善周向传热均匀性。低热流密度时,管壁粗糙面积在湍动能整体水平较低的加热管流前半部分影响较为明显;随着热流密度的增加,浮升力效应增强,上壁面附近高温区域逐渐扩大,而不同工况条件下使粗糙范围集中于此高温区域能够获得兼顾水平S-CO_(2)传热效率与附加流动阻力更优的综合性能。

关键词：超临界二氧化碳水平圆管砂粗糙局部粗糙浮升力效应

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高温工况下管内S-CO_(2)强迫对流换热实验研究

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原子能科学技术 2023年第9期57卷 1761-1770页

作者：谢榕顺张广旭赵弟宏卢功豪洪钢张尧立厦门大学能源学院福建厦门361105 福建省核能工程技术研究中心福建厦门361105

由于超临界二氧化碳(S-CO_(2))动力循环对能源转化利用具有重要意义,许多研究人员对S-CO_(2)对流换热特性进行实验研究。然而现有研究集中在低温工况(10~200℃),高温工况(200~500℃)的实验数据匮乏。本文通过实验研究高温工况下竖直管内... 详细信息

由于超临界二氧化碳(S-CO_(2))动力循环对能源转化利用具有重要意义,许多研究人员对S-CO_(2)对流换热特性进行实验研究。然而现有研究集中在低温工况(10~200℃),高温工况(200~500℃)的实验数据匮乏。本文通过实验研究高温工况下竖直管内S-CO_(2)对流换热特性,分析热加速效应以及浮升力效应对传热的影响。结果表明,高温工况下S-CO_(2)的传热变化趋势类似于气态CO_(2),但在数值上有很大不同,同时热加速以及浮升力效应对高温S-CO_(2)传热的影响忽略不计。最后通过对几种典型经验关联式在高温工况下的预测能力进行评价分析,结果与实验数据有很大差异,因此本文提出适用于高温S-CO_(2)传热的经验关联式,它提供了更高精确度,能满足实际工程需要。

关键词：超临界二氧化碳高温工况热加速效应浮升力效应经验关联式

水平管内超临界二氧化碳非均匀冷却对流传热特性研究

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工程热物理学报 2023年第4期44卷 1064-1073页

作者：周金枭张世杰李逍霄刘朝徐肖肖重庆大学低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室重庆400040

针对超临界CO_(2)空冷换热器中存在的非均匀传热问题,本文利用数值模拟计算了水平空冷翅片管中管壁热流分布规律及超临界CO_(2)在非均匀冷却时的换热特性,同时分析了非均匀冷却工况下不均匀度、质量流量和浮升力等因素对换热规律的影响... 详细信息

针对超临界CO_(2)空冷换热器中存在的非均匀传热问题,本文利用数值模拟计算了水平空冷翅片管中管壁热流分布规律及超临界CO_(2)在非均匀冷却时的换热特性,同时分析了非均匀冷却工况下不均匀度、质量流量和浮升力等因素对换热规律的影响。结果表明:翅片管热流密度沿周向管壁位置呈现显著的不均匀分布,且不均匀度随风速增大而增大;超临界CO_(2)非均匀冷却的平均换热系数在远离准临界点时高于均匀冷却,靠近准临界点时低于均匀冷却;非均匀冷却与均匀冷却的差异随不均匀度、质量流量增大而增大。CO_(2)在准临界点处的非线性物性变化与浮升力作用是造成两者差异的主要原因。

关键词：超临界CO_(2) 非均匀冷却 CFD模拟浮升力效应

方形微通道内超临界CO_(2)流动换热特性研究

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化工学报 2022年第4期73卷 1534-1545页

作者：许婉婷许波王鑫陈振乾东南大学能源与环境学院江苏南京210096

采用SST k-ω湍流模型对加热条件下超临界O_(2)在方形微通道内的流动换热特性进行了数值模拟。通过对比三种壁面平均传热系数、浮升力参数和二次流强度的沿程变化研究了管型、热通量、质量流量和倾斜角度对微通道内流动换热性能的影响... 详细信息

采用SST k-ω湍流模型对加热条件下超临界O_(2)在方形微通道内的流动换热特性进行了数值模拟。通过对比三种壁面平均传热系数、浮升力参数和二次流强度的沿程变化研究了管型、热通量、质量流量和倾斜角度对微通道内流动换热性能的影响。结果表明:水平方形微通道的整体换热性能优于相同水力直径的半圆形微通道。流体域典型截面的温度分布、速度分布和湍动能分布等信息可以很好地解释水平方向流动时上、下壁面传热差异的现象。减小热通量、增大质量流量或减小流体流动方向与重力方向之间的夹角,可提高方形微通道的整体换热水平。该模拟结果对以超临界O_(2)为工质的微通道换热器的设计和优化具有一定的理论指导意义。

关键词：超临界二氧化碳数值模拟传热浮升力效应二次流强度

微型瑞士卷燃烧器中甲烷/空气非预混火焰的实验和模拟

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工程热物理学报 2024年第4期45卷 1179-1186页

作者：李佳鑫羊光耀王世轩范爱武华中科技大学能源与动力工程学院武汉430074

对微型瑞士卷燃烧器内甲烷/空气的非预混火焰进行实验研究和数值模拟。实验中总共观察到6种火焰模式,即:单个火焰、较对称的双子火焰、振荡火焰、明显不对称的双子火焰、熄火和吹熄。燃烧能够维持的最小名义当量比(ф)和甲烷入口流量(FM... 详细信息

对微型瑞士卷燃烧器内甲烷/空气的非预混火焰进行实验研究和数值模拟。实验中总共观察到6种火焰模式,即:单个火焰、较对称的双子火焰、振荡火焰、明显不对称的双子火焰、熄火和吹熄。燃烧能够维持的最小名义当量比(ф)和甲烷入口流量(FM)分别为0.4和0.02 L·min^(-1)。数值模拟较好地复现了火焰结构,并且揭示了火焰结构在垂直方向的不对称性。通过对比有/无考虑重力的模拟结果,发现浮升力对流场和火焰结构有重要影响。综上所述,本研究加深了对微型瑞士卷燃烧器中非预混火焰特征的了解。

关键词：微尺度燃烧瑞士卷燃烧器非预混燃烧火焰结构浮升力效应

湍流普朗特数模型对水平圆管内sCO_(2)传热预测的影响

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动力工程学报 2023年第12期43卷 1539-1548,1584页

作者：谢雄州叶道铭黄俊辉王建勇中山大学·深圳航空航天学院深圳518107

基于SST k-ω湍流模型系统探究了典型湍流普朗特数模型对水平圆管内超临界二氧化碳传热数值模拟的影响,并通过与实验数据的对比,分析不同湍流普朗特数模型的预测能力。结果表明:在弱浮升力效应下,定常湍流普朗特数(Prt=0.85)模型具有较... 详细信息

基于SST k-ω湍流模型系统探究了典型湍流普朗特数模型对水平圆管内超临界二氧化碳传热数值模拟的影响,并通过与实验数据的对比,分析不同湍流普朗特数模型的预测能力。结果表明:在弱浮升力效应下,定常湍流普朗特数(Prt=0.85)模型具有较可靠的预测能力,预测的壁温最大偏差小于5 K;但在强浮升力效应下,Prt=0.85时计算出现较大偏差,而引入的现有典型变湍流普朗特数修正模型改善效果不佳。经深层次分析发现,湍流普朗特数模型对超临界二氧化碳流动传热边界层的影响显著,从而决定湍流传热性能。

关键词：超临界二氧化碳水平圆管传热湍流普朗特数浮升力效应传热预测数值模拟

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浮升力对航空煤油传热流动影响的数值研究

航空工程进展 2021年第3期12卷 153-160页

作者：姚长鑫重庆建筑工程职业学院城市轨道交通与机电工程系重庆400072

不同重力条件下,浮升力对航空煤油再生冷却效果会带来不同影响。建立RNG k-ε湍流三维模型,通过同等条件下与他人实验和模拟得到的壁面温度对比验证该模型;针对航空燃油RP-3在不同重力条件下水平管内的浮力诱导的温度分布、二次流速度... 详细信息

不同重力条件下,浮升力对航空煤油再生冷却效果会带来不同影响。建立RNG k-ε湍流三维模型,通过同等条件下与他人实验和模拟得到的壁面温度对比验证该模型;针对航空燃油RP-3在不同重力条件下水平管内的浮力诱导的温度分布、二次流速度、对流传热系数和湍动能的变化,研究重力条件变化时航空燃油浮升力对传热流动的作用机制。结果表明:重力加倍增大将导致浮升力对流的影响显著增强,并且湍动能随之非线性增加,对流传热系数呈现出明显的提升;重力条件改变时,重力方向上浮升力诱导的二次流发生了复杂的演变,对流传热系数呈现出先减小后增大,最终再减小的变化趋势;当航空燃油温度超过超临界温度时,对流传热系数发生突变,同时造成管壁温度出现显著差异。

关键词： RP-3航空煤油再生冷却浮升力效应

浮升力—离心力对回弯及其上下游直管中超临界流体换热的实验研究

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浮升力—离心力对回弯及其上下游直管中超临界流体换热的实验研究

作者：周星昆明理工大学

学位级别：硕士

跨临界有机朗肯循环是目前应用于中低温余热回收最高效的系统,但工质在超临界状态下物性变化剧烈,带来的热不均匀性是必须解决的主要问题。同时U型回弯作为换热器中常见的连接管件,不仅使管内流向发生变化,离心的引入及其衰减性质也使... 详细信息

跨临界有机朗肯循环是目前应用于中低温余热回收最高效的系统,但工质在超临界状态下物性变化剧烈,带来的热不均匀性是必须解决的主要问题。同时U型回弯作为换热器中常见的连接管件,不仅使管内流向发生变化,离心的引入及其衰减性质也使得传热过程更加复杂。基于此,开展了强浮升力及强离心力两种工况下U型管内超临界有机工质换热特性的实验研究。主要研究内容与结果如下:(1)对两种管径(d=8 mm和d=4.35 mm)下的U型管进行了不同操作条件下的实验研究,涉及参数有热流密度,质量流量,入口温度,入口压力等,探究了壁温和换热系数的沿程及周向分布规律。结果表明:U型回弯可以削弱浮升力带来的顶、底部换热能力差异。同时离心力会造成内、外侧换热能力差异,外侧换热能力得到显著强化。(2)当管径较大(d=8 mm)时,此时浮升力在周向上有较大的发展空间,同时由于流速较低,离心力效果不明显,此时浮升力在对流动换热的影响中占据主导地位,为强浮升力工况。在此工况下,进行了U型管与直管对比实验,通过两者的平均换热及局部换热的对比发现:U型回弯可大幅强化传热,在高热流密度下,强化传热效果更加明显,换热系数最高可达直管的4.68倍,U型回弯对流动换热的强化作用主要体现在底部与外侧。对两种管型下的浮升力沿程发展量化分析,提出了以浮升力判别式Gr/Gr=120作为U型回弯产生明显强化传热作用的阈值,当Gr/Gr>120时,U型回弯的引入可以有效的强化换热,而当Gr/Gr浮升力和离心力的竞争作用。当ψ>1时,离心力为主导因素,周向最高壁温出现在内侧。当ψ浮升力成为主导因素,壁温最大值出现在顶部。(4)基于已有的实验数据,评价了已有的换热关联式的预测能力,结果表明Jackson关联式在不受离心力影响的上下游直管段内的预测效果显著优于Gnielinski公式。在U型回弯内,对内侧,Jackson关联式仍然有较好的预测能力。而对于外侧,Jackson关联式预测值普遍低于实验值。本文的研究结果补充了超临界流体在U型管内换热特性的实验数据空白,为先进跨临界系统中U型换热器的设计和优化提供了科学依据。

关键词：超临界流体局部换热 U型回弯浮升力效应离心力效应