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微型超高速旋转盘腔流动与换热规律研究

推进技术 2023年第9期44卷 138-148页

作者：赵熙刘剑宇全永凯中国航发贵阳发动机设计研究所贵州贵阳550081 北京航空航天大学航空发动机研究院航空发动机气动热力国防科技重点实验室北京102206 北京航空航天大学杭州创新研究院(余杭) 浙江杭州310023

通过数值模拟方法研究了带周向环罩的微型超高速旋转盘腔的流动与换热规律,盘腔的半径为4mm,转速为2×10^(5)~1×10^(6)r/min。结果表明:超强离心力及其衍生浮升力并没有给微型旋转盘腔带来与常规盘腔不同的流动结构,但是超强离心力及... 详细信息

通过数值模拟方法研究了带周向环罩的微型超高速旋转盘腔的流动与换热规律,盘腔的半径为4mm,转速为2×10^(5)~1×10^(6)r/min。结果表明:超强离心力及其衍生浮升力并没有给微型旋转盘腔带来与常规盘腔不同的流动结构,但是超强离心力及其衍生浮升力引起的粘性耗散效应导致旋转盘高半径处发生换热恶化现象,周向环罩的存在则进一步加剧了该现象。在高旋转雷诺数和低转盘过余温度工况下,强离心力及其衍生浮升力引起的粘性耗散效应更加显著,而周向环罩的影响相对弱化。

关键词：微型旋转盘腔流动与换热离心力离心浮升力粘性耗散换热恶化

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泡沫流体管流流动与换热数值模拟

中国石油大学学报（自然科学版） 2009年第6期33卷 91-94,99页

作者：林日亿李兆敏李松岩余文彬高志华中国石油大学储运与建筑工程学院山东东营257061 中国石油大学石油工程学院山东东营257061 新疆油田公司准东采油厂新疆阜康831511 长庆油田公司陕西榆林719000

基于质量、动量和能量守恒方程,建立泡沫流体在圆管内流动与换热的物理模型和数学模型,并利用FLUENT软件进行模拟,得到不同雷诺数下圆管内的压力损失、管道横截面上的速度分布和表观黏度分布,同时回归了不同雷诺数下的摩阻系数和努塞尔... 详细信息

基于质量、动量和能量守恒方程,建立泡沫流体在圆管内流动与换热的物理模型和数学模型,并利用FLUENT软件进行模拟,得到不同雷诺数下圆管内的压力损失、管道横截面上的速度分布和表观黏度分布,同时回归了不同雷诺数下的摩阻系数和努塞尔数经验关系式。结果表明:管内压力沿管程不断降低,且流速越大压降越大;管内温度沿管程不断升高,且流速越小温升越大;管道横截面上的速度、温度分布不均匀,越接近管壁速度越小,温度越高。

关键词：泡沫管流流动与换热数值模拟努塞尔数

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氮气辅助注蒸汽热采井筒中的流动与换热规律

中国石油大学学报（自然科学版） 2008年第3期32卷 84-88页

作者：李兆敏杨建平林日亿中国石油大学石油工程学院山东东营257061 中国石油大学储运与建筑工程学院山东东营257061

为分析注汽井油套环空充氮气和伴注氮气的隔热效果对注蒸汽的影响,根据热量传递原理和流体流动理论,建立了井筒中伴注氮气辅助注蒸汽热采工艺中蒸汽、氮气沿井筒流动与传热的数学模型,计算了蒸汽、氮气沿井筒的温度分布和压力分布,对比... 详细信息

为分析注汽井油套环空充氮气和伴注氮气的隔热效果对注蒸汽的影响,根据热量传递原理和流体流动理论,建立了井筒中伴注氮气辅助注蒸汽热采工艺中蒸汽、氮气沿井筒流动与传热的数学模型,计算了蒸汽、氮气沿井筒的温度分布和压力分布,对比了环空充氮气和空气、充氮气和伴注氮气的隔热效果。结果表明:充氮气和充空气隔热方式对隔热效果的影响不大;充低压隔热气体可获得较好的隔热效果;伴注氮气比充氮气隔热效果好,且随着环空伴注氮气流量的增大,油管内蒸汽压力升高,蒸汽的热损失增大,大部分热量被氮气吸收后带入地层,而实际散失到地层的热损失逐渐减小。

关键词：热采方法注蒸汽氮气环空流动与换热井筒

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蛇型冷却通道中的蒸汽流动与换热特性研究

空气动力学学报 2011年第2期29卷 235-239页

作者：仇璐珂王新军韩宇萌俞茂铮赵世全贾文艾松西安交通大学能源与动力工程学院陕西西安710049 东方汽轮机有限公司四川德阳618000

采用CFX软件数值计算了带肋蛇形冷却通道内的空气流动与换热特性,验证了计算模型和方法,比较了湍流模型的适用性;在此基础上,数值计算了蛇形冷却通道内蒸汽的流动与换热特性,分析了蒸汽过热度、肋片角度和V型肋片对蒸汽流动与换热性能... 详细信息

采用CFX软件数值计算了带肋蛇形冷却通道内的空气流动与换热特性,验证了计算模型和方法,比较了湍流模型的适用性;在此基础上,数值计算了蛇形冷却通道内蒸汽的流动与换热特性,分析了蒸汽过热度、肋片角度和V型肋片对蒸汽流动与换热性能的影响。结果表明:SSG湍流模型的计算结果与实验数据吻合较好;蒸汽过热度对换热效果的影响较小;相对于光滑通道,带肋通道的弯道效应影响降低;V型肋片的换热效果好于平行斜肋。

关键词：蛇型通道蒸汽冷却流动与换热数值计算

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圆管湍流脉动流动与换热的数值模拟

中国电机工程学报 2009年第20期29卷 85-91页

作者：翟明董芃王希影丁伟玲夏新林哈尔滨工业大学能源科学与工程学院黑龙江省哈尔滨市150001

利用标准k-ε模型结合脉动燃烧器尾管的实验参数进行湍流脉动流动与换热的数值模拟,通过修正模型内的冯·卡门常数建立适用于实验条件下的脉动流动的湍流计算模型,并研究脉动湍流中压力振幅和频率对湍流流动和换热特性的影响。研究发现... 详细信息

利用标准k-ε模型结合脉动燃烧器尾管的实验参数进行湍流脉动流动与换热的数值模拟,通过修正模型内的冯·卡门常数建立适用于实验条件下的脉动流动的湍流计算模型,并研究脉动湍流中压力振幅和频率对湍流流动和换热特性的影响。研究发现:符合实验条件下的冯·卡门常数范围为0.48～0.52;脉动瞬时截面上的速度在靠近壁面附近出现峰值且速度变化较大;速度与温度分布呈周期性变化;压力振幅越大,速度和温度波动范围就越大,频率越大,速度和温度的波动范围则越小;壁面摩擦系数随着压力振幅的增加而减小,随着频率的增加而增大;壁面平均对流换热系数随压力振幅的增加而增大,随频率的增加而减小。

关键词：脉动流动流动与换热湍流模型冯·卡门常数数值模拟

翼型结构对印刷电路板换热器流动与换热特性影响

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储能科学与技术 2024年第2期13卷 416-424页

作者：李峰鹿院卫王彦泉马彦成吴玉庭北京工业大学传热强化与过程节能教育部重点实验室北京100124

印刷电路板换热器(PCHE)作为超临界二氧化碳(S-CO_(2))布雷顿循环中的重要设备,其性能会影响系统的效率。为了提高翼型PCHE性能,探究翼型翅片结构对其流动与换热性能的影响。本工作针对S-CO_(2)布雷顿循环系统中的高温回热器,采用数值... 详细信息

印刷电路板换热器(PCHE)作为超临界二氧化碳(S-CO_(2))布雷顿循环中的重要设备,其性能会影响系统的效率。为了提高翼型PCHE性能,探究翼型翅片结构对其流动与换热性能的影响。本工作针对S-CO_(2)布雷顿循环系统中的高温回热器,采用数值模拟的方法,选用S-CO_(2)为传热工质。通过对3种不同结构的NACA0020的翼型翅片通道的流动与换热性能进行比较,研究翼型翅片最大厚度在弦长上的位置参数对换热器的性能影响,并从热工水力性能、综合性指标、整体流动性、局部性能等方面分析了变化规律。结果表明,在翼型翅片结构中保持相对厚度不变的情况下,随着翼型翅片最大厚度在弦长上越接近翼型前缘的位置,其换热性能也会随之提高。其中NACA0020-20的翼型翅片通道在选定的工况条件下,j因子和Nu比其他两种翼型翅片通道大2.7%~8.8%和2.7%~8%,并且该翼型翅片结构可以有效地减小边界层所带来的影响,提高了其PCHE的换热性能,其综合性能更是优于其他两种翼型翅片。研究结果对于翼型PCHE的结构设计和性能优化提供了一定的依据。

关键词：超临界二氧化碳换热器翼型翅片最大厚度流动与换热

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LNG在微小通道中沸腾流动与换热特性的数值研究

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舰船科学技术 2024年第5期46卷 126-132页

作者：龚慧芝赵忠超江苏科技大学能源与动力学院江苏镇江212100

针对LNG在亚临界状态下的工作要求,利用VOF多相流模型对LNG在1 mm、1.5 mm、2 mm和2.5 mm共4种直径微小通道内的沸腾流动与换热特性进行研究,操作压力为0.1 MPa,热通量为40.9~385.4 kW/m^(2),质量通量为110~600 kg/m^(2)·s。研究结果表... 详细信息

针对LNG在亚临界状态下的工作要求,利用VOF多相流模型对LNG在1 mm、1.5 mm、2 mm和2.5 mm共4种直径微小通道内的沸腾流动与换热特性进行研究,操作压力为0.1 MPa,热通量为40.9~385.4 kW/m^(2),质量通量为110~600 kg/m^(2)·s。研究结果表明:在直径为1.5 mm、2 mm和2.5 mm的微小通道中,观察到了泡状流、弹状流、波状-环状流、过渡流和雾状流5种流型,而对于直径为1 mm的通道,没有观察到弹状流和过渡流,却出现了受限泡状流和柱塞流,且发现流型随通道直径的减小而转变加快,不同管径中的流型种类以及所占通道比例不同。当通道直径由2.5 mm减小到1 mm时,在波状-环状流区域对流换热系数提高了24.6%,但压降增加了50.1%。当质量通量增加到600 kg/m^(2)·s,对流换热系数提高了22.6%,压降增加了55.8%。

关键词：微小通道流动沸腾两相流型流动与换热数值模拟

翼型流道印刷板式换热器内超临界氮的流动与换热性能研究

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翼型流道印刷板式换热器内超临界氮的流动与换热性能研究

作者：张永江苏科技大学

学位级别：硕士

印刷板式换热器(Printed circuit heat exchanger,PCHE)是一种高效紧凑的新型板式换热器,可用于体积受限的,高压或高热流密度等极端工况。此外,超临界压力流体具有良好的流动换热特性,它在工业领域中得到了广泛的应用。如今关于如何提高... 详细信息

印刷板式换热器(Printed circuit heat exchanger,PCHE)是一种高效紧凑的新型板式换热器,可用于体积受限的,高压或高热流密度等极端工况。此外,超临界压力流体具有良好的流动换热特性,它在工业领域中得到了广泛的应用。如今关于如何提高PCHE的流动换热特性以及其内部特征受到国内外学者的关注,但是目前国内以超临界流体应用于PCHE换热的研究十分少见。本文以超临界氮为工质,采用实验研究与数值模拟相结合的方法,对不同工况下及不同翼型翅片排列方式的翼型流道PCHE内的热工水力特性进行分析,探究翼型流道PCHE内较佳的流道结构与工况。因此,本研究对工程实际应用具有重要的意义。本文首先介绍了超临界流体及其特征,展示了超临界氮的物性图,并拟合了超临界氮的物性多项式函数。从质量流量、热流密度和压力等方面介绍了超临界流体的特殊的换热特性,其特殊的换热特性主要与其物性的剧烈变化有关。然后从计算流体动力学、FLUENT介绍、流动及换热的基本控制方程和数值模拟基本过程四个方面讲述了流动与换热的数值模拟理论基础,为下文的研究和分析提供了依据。本文通过实验研究了不同工况下翼型流道PCHE内超临界氮的流动与换热性能,首先介绍了实验系统及实验过程,具体包括:实验装置原理、实验步骤、测量元件与测量方法、实验误差与数据处理。实验中液氮的进口质量通量为203-228 kg/ms,进口压力为5-8 MPa,入口温度为103-121 K,通过整理实验数据,分析了不同质量流量、入口温度和热流密度对翼型PCHE出口温度和压降的影响。实验结果表明:在相同的进口压力下,出口温度随质量流量的增加而降低。在相同质量流量下,出口温度随着压力的增大而增大。当进口温度增大时,出口温度也逐渐升高,并且增加的幅度比较均匀。而且很明显,热流密度70 kw/m比66 kw/m的出口温度更高,出口温度增加约16.5℃。此外,在相同质量流量下,压降随运行压力的减小而增大。随着入口温度的增加,翼型PCHE流道的压降逐渐增大,并且压降增大的斜率越来越大。其次,采用数值模拟的方法对翼型流道PCHE内超临界氮的流动与换热特性进行研究,主要研究了质量通量、压力和入口温度对翼型流道PCHE流动与换热的影响。本章模拟的流道内的翼型翅片的结构和排列方式和实验是相同的,模拟工况的压力为5 MPa、6 MPa、7 MPa、8 MPa,质量通量为203-228 kg/ms,进口初始温度为103 K。主要对不同工况下超临界氮的对流换热系数、努谢尔特数和压降等方面的性能进行分析,并提出新的努谢尔特数和范宁摩擦因子的关联式。模拟结果显示,在相同的质量流量下,翼型PCHE的平均对流换热系数随着入口压力的增大而增大。随着压力的降低,努谢尔特数增加的斜率的拐点出现在较大雷诺数下。不同入口温度也会对超临界氮在翼型PCHE内的流动换热产生影响。考虑到综合传热性能,入口温度103 K比127K工况,不仅压力损失较小,而且具有较强的对流换热性能。在超临界压力工况下,Gnielinski和Dittuss-Boelter关联式未能准确地预测翼型流道内的努谢尔特数和范宁摩擦系数。本章提出了新的范宁摩擦系数与努谢尔特数的关联式,通过比较和验证,我们发现新的关联式预测的努谢尔特数和范宁摩擦系数与实验和数值模拟结果吻合较好。最后,采用数值模拟的方法对不同排列方式的翼型流道内超临界氮的热工水力特性进行研究,主要研究了不同垂直距离与交错距离的翼型流道的局部与整体换热性能。模拟工况的压力为6 MPa,质量通量为227.7 kg/ms,进口初始温度为103 K。主要从速度分布、压力分布、整体对流换热系数、努谢尔特数和压降等方面对不同翼型翅片排列方式的流道的流动特性进行分析,并通过综合性能评价指标(PEC)比较了各种流道的综合性能。模拟结果显示:当交错距离从L=0 mm增加到L=1.2 mm时,速度分布变得越来越均匀。不同翅片布置方式下流道内的流速沿流道的增大趋势相似,流速的增加趋势越来越陡。此外,压力降低的幅度沿流动方向逐渐增加。适当减小两排翅片之间的垂直距离和减小交错距离可以提高PCHE的对流换热能力。此外,翅片的完全交错排列以及适当增加两排翅片之间的垂直距离可以减少压力损失。与L=0.6 mm、L=1.25 mm,L=1.2 mm、L=1 mm,L=1.2 mm、L=0.8 mm的通道相比,L=1.2 mm、L=1.25 mm的通道的PEC值更高,尤其在雷诺数较低时,这种现象更明显。因此,通过完全交错布置以及适当减小翅片之间的垂直距离,可以提高翅片的综合传热性能。

关键词：翼型印刷板式换热器流动与换热超临界氮努谢尔特数范宁摩擦因子

矩形微通道内液态金属钠流动与换热特性数值模拟

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矩形微通道内液态金属钠流动与换热特性数值模拟

作者：杨晨东北电力大学

学位级别：硕士

钠冷快堆是第四代核能系统中最具发展潜力、最有可能先实现商业化的堆型之一。在核反应堆中,对堆芯的冷却是一直以来备受关注的问题,为此,钠冷快堆中需要一种高效的换热器以交换一二回路的热量。印刷电路板式换热器具有紧凑、高效、耐... 详细信息

钠冷快堆是第四代核能系统中最具发展潜力、最有可能先实现商业化的堆型之一。在核反应堆中,对堆芯的冷却是一直以来备受关注的问题,为此,钠冷快堆中需要一种高效的换热器以交换一二回路的热量。印刷电路板式换热器具有紧凑、高效、耐高温高压等优点,满足做为核反应堆中间换热器的要求。而液态金属钠因其具有高导热、高载热能力,成为高温反应堆中的热门冷却剂之一。但与此同时,由于液态金属钠非常容易与水和氧气发生反应,产生爆炸,难以保证实验研究的安全性,故本文通过数值模拟的方法,研究不同运行参数和结构参数下液态金属钠在微矩形通道内的流动换热特性,开发出高精度的流动换热准则式,对钠冷快堆中间换热器的设计具有借鉴意义。本文基于FLUENT平台建立了三维稳态数值模拟方法,通过和实验数据对比,对数值方法的可靠性进行验证。在本文研究工况内使用Jischa提出的湍流普朗特数模型和SST湍流模型进行计算,计算精度最高,模拟结果和实验的相对误差不超过5%,符合实际工程要求。基于以上数值方法研究了运行参数对液态金属钠在直矩形微通道内的流动换热的影响。研究结果表明,高流速、低温度对应的换热能力更强,流动性能更弱;和流速、温度相比,壁面热流密度的影响很小,可以忽略不计。和直矩形微通道相比,锯齿形微通道每隔一定距离会向左或向右错开一定距离,该通道可以通过破坏流体边界层以增强流体的换热性能,但同时也会增加流动损失。在研究液态金属钠在锯齿形微通道内的流动换热时,首先对锯齿形微通道进行结构优化,得出节距长度为80mm的通道具有最佳的流动换热综合性能。使用此最佳结构研究了运行参数对液态金属钠在锯齿形微通道内的流动换热特性的影响,并将锯齿形微通道和直矩形微通道的模拟结果进行了对比。结果表明:直矩形微通道的换热系数比锯齿形微通道低约7%,但压降约为锯齿形微通道的50%,且流速越大,压降相差越大,而换热系数的变化相对稳定。故在应用通道结构为锯齿形微通道的换热器时,应尽量减小流速。最后基于本文模拟结果,对文献中的准则式进行了适用性分析。分析结果表明:文献中现有的流动换热准则式均不能准确预测液态金属钠在直矩形微通道和锯齿形微通道内的流动换热特性。故基于本文模拟数据,开发出液态金属钠在直矩形微通道和锯齿形微通道内的流动换热准则式,得出的准则式和本文模拟结果误差均控制在±3%以内,具有较高的预测精度。

关键词：第四代核反应堆微通道液态金属钠流动与换热准则式数值模拟