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内置多叶扭带的碳化硅换热管强化传热特性研究

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化工机械 2024年第3期51卷 375-381页

作者：李佳豪虞斌江超吕林南京工业大学机械与动力工程学院

为了研究碳化硅换热管的流动和传热特性,达到增强综合换热能力的目的。采用数值模拟方法对内置4种不同结构扭带的换热管进行分析,确定四叶扭带模型作为后续研究对象,对比了在4种自定义的节距和宽度两种结构参数下,不同入口风速工况的换... 详细信息

为了研究碳化硅换热管的流动和传热特性,达到增强综合换热能力的目的。采用数值模拟方法对内置4种不同结构扭带的换热管进行分析,确定四叶扭带模型作为后续研究对象,对比了在4种自定义的节距和宽度两种结构参数下,不同入口风速工况的换热管的热力性能。结果表明:扭带宽度对换热管的换热能力相较于节距具有更显著的强化作用,四叶扭带节距为360 mm、宽度为45 mm时换热管的综合换热能力最强,为1.59,此时换热管的努塞尔数相较光管提升了244.37%。

关键词：换热器碳化硅换热管多叶扭带强化换热数值模拟综合换热性能

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垂直环管内旋流换热与流动的数值模拟研究

热能动力工程 2023年第4期38卷 95-101页

作者：伍思敏冯家杰陈泽彬陈佰满东莞理工学院化学工程与能源技术学院广东东莞523808

基于垂直环管内旋流对流动边界层的扰动机理,采用数值模拟的方法研究了叶片角度、雷诺数以及进口水温对管内换热以及流动特性的影响,揭示了重力对环管内旋流流动的内在影响机制。结果表明:与水平环管相比,垂直环管的综合换热性能变化平... 详细信息

基于垂直环管内旋流对流动边界层的扰动机理,采用数值模拟的方法研究了叶片角度、雷诺数以及进口水温对管内换热以及流动特性的影响,揭示了重力对环管内旋流流动的内在影响机制。结果表明:与水平环管相比,垂直环管的综合换热性能变化平缓,主要受到重力对压降的影响;与雷诺数相比,叶片角度对流场以及温度场的影响最显著;在雷诺数小于15 000,叶片角度为30°时管内的换热性能最佳。

关键词：垂直环管轴向叶片对流换热综合换热性能数值模拟

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波壁管式换热器内壳侧流体流动与换热特性

科学技术与工程 2022年第23期22卷 10086-10091页

作者：张亮曲平平张安龙荆宇燕王文杰姚欣月燕山大学车辆与能源学院秦皇岛066004

传统的直壁管式换热器的换热效率不高,为了增强换热器内流体的换热效率。采用数值模拟的方法对型波壁管式换热器内流体的流动与换热特性进行了研究,重点探讨了雷诺数Re与波壁管半径比i对换热器内流体的流动特性、阻力特性、换热特性以... 详细信息

传统的直壁管式换热器的换热效率不高,为了增强换热器内流体的换热效率。采用数值模拟的方法对型波壁管式换热器内流体的流动与换热特性进行了研究,重点探讨了雷诺数Re与波壁管半径比i对换热器内流体的流动特性、阻力特性、换热特性以及综合换热性能的影响。结果发现,与直壁管式换热器相比,波壁管式换热器内流体的流动状态能够得到较大的改善。波壁管式换热器壳程流体的进出口平均压降比直壁管式换热器低,平均压降最大可降低11.01%,并且发现随着Re的增加,平均压降明显增大,随着i的增加,平均压降略有增大。波壁管式换热器壳程内流体的对流换热系数h明显大于直壁管式换热器,h最大可增加14.17%。h随着Re的增大逐渐增加,而i对h的影响不明显。同时发现波壁管式换热器的综合换热性能与雷诺数Re成正相关,而与半径比i成负相关。与直壁管式换热器相比,波壁管式换热器的综合换热性能更强。

关键词：波壁管换热器数值模拟换热特性综合换热性能

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波壁管内Cu-醇基纳米流体的强化换热研究

科学技术与工程 2022年第14期22卷 5615-5620页

作者：张亮张安龙曲平平荆宇燕燕山大学车辆与能源学院秦皇岛066004

随着科技的进步,热交换设备的热负荷与传热强度不断增大,传统的醇类冷却剂不足以满足换热设备的冷却要求,通过向传统醇类冷却剂中加入Cu纳米粒子从而形成Cu-醇基纳米流体。对Cu-乙醇、Cu-乙二醇、Cu-丙二醇三种Cu-醇基纳米流体在波壁管... 详细信息

随着科技的进步,热交换设备的热负荷与传热强度不断增大,传统的醇类冷却剂不足以满足换热设备的冷却要求,通过向传统醇类冷却剂中加入Cu纳米粒子从而形成Cu-醇基纳米流体。对Cu-乙醇、Cu-乙二醇、Cu-丙二醇三种Cu-醇基纳米流体在波壁管中的换热特性进行数值模拟研究,同时采用分子动力学计算了Cu-醇基纳米流体的导热系数,分析了雷诺数Re与纳米颗粒体积分数φ对纳米流体的换热特性的影响。结果表明,在相同条件下,纳米流体的导热系数比基液大,且随着φ的增加而增大,通过比较这三种Cu-醇基纳米流体的导热系数,发现Cu-丙二醇纳米流体的导热系数的增幅最大;同时发现纳米流体的对流换热系数与基液相比有所提高,且随着φ的增加而增大;Cu-醇基纳米流体在强化传热的同时也会产生更大的阻力损失,且该损失随着φ的增大而增大;用性能评价因子PEC对波壁管内流体的对流换热系数与摩擦阻力系数进行综合分析。发现在三种Cu-醇基纳米流体中,Cu-丙二醇纳米流体具有最好的综合换热性能。

关键词：波壁管数值模拟分子动力学换热特性综合换热性能

基于孔尺度较高流速下泡沫金属流动传热数值研究

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基于孔尺度较高流速下泡沫金属流动传热数值研究

作者：汤怡恺东华大学

学位级别：硕士

泡沫金属隶属超轻多孔介质,具有蜂窝状结构、高导热系数以及较大的空腔体积,能够根据需求优化结构设计,已经成为散热器和紧凑型热交换器优良的候选材料,在航天航空领域拥有较好的应用前景;但其内部复杂的孔隙结构为探究内部流动带来诸... 详细信息

泡沫金属隶属超轻多孔介质,具有蜂窝状结构、高导热系数以及较大的空腔体积,能够根据需求优化结构设计,已经成为散热器和紧凑型热交换器优良的候选材料,在航天航空领域拥有较好的应用前景;但其内部复杂的孔隙结构为探究内部流动带来诸多不便,高流速下泡沫金属多孔介质的强化传热机理并不完善。而计算流体力学（CFD）随计算机的发展,变革性的转变了流体力学实验的思路与方法;将数值模拟应用于泡沫金属,基于拓扑结构的模拟实验是更加简便高效的研究手段。本文采用CFD方法通过Fluent软件对泡沫金属内对流传热行为进行数值研究,通过计算域内流场的各物理数据进行二次整理,分析并得出了多孔金属的强化传热规律。本课题以简化十四面体单胞结构为基础,构建泡沫金属拓扑结构作为仿真模型;运用Fluent对其结构进行流动传热分析,得出在较高流速工况下计算域中的温度场、压力场、流速场、压降阻力、对流换热系数与综合换热因子随泡沫金属结构参数与流速的变化规律。为分析孔隙结构对流动换热的影响,构建整体孔隙率为0.934与0.97,孔密度为10-40PPI的泡沫金属结构,选取压降与对流换热系数两个关键参数作为参考值,通过与试验和模拟数据对比,以此确定其建模结构的准确性与可靠性;随后对空气流经泡沫金属这一流动工况的温度场、压力场及速度场进行分析对照,获得泡沫金属计算域内基本物理场的分布情况与泡沫金属骨架结构附近流动状况,借此得到泡沫金属微观结构对强化传热的影响。对不同孔密度（10-40PPI）的泡沫金属在高流速下进行流动压降阻力与对流换热性能的研究。实验得到了泡沫金属于0-100m/s流速工况下孔密度对压降阻力、综合对流换热系数等关键参数的影响。结果得出,孔密度越高泡沫金属的压降也越高,且泡沫金属内部对流传热系数同样越大;综合对流换热系数都随流速增大而提高,但在高流速工况下提升较小。通过分析得出结论:泡沫金属孔密度与流速对换热系数与压降都能造成影响,但流域内的压降受流速影响程度更大;对于相同孔密度下的泡沫金属而言,其流速越高,换热综合评价因子越低;孔密度为40PPI的泡沫金属在所选四种孔密度中具有最佳的综合换热性能;同时给出拟合公式预测高流速下泡沫金属压降与相界面对流换热系数的变化趋势。为确定泡沫金属孔隙率对上述参数的影响,建立孔隙率为0.934多孔金属结构进行对比并发现孔密度相同时高孔隙率具有更好的对流换热性能,孔隙率ε=0.97,孔密度为30PPI的泡沫金属在本文6种条件下能够在克服流动阻力的同时兼具最好的换热能力。

关键词：金属泡沫数值模拟综合换热性能拟合公式

侧置八边形翼翅片管换热器流动与换热特性的数值研究

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侧置八边形翼翅片管换热器流动与换热特性的数值研究

作者：赵辉太原理工大学

学位级别：硕士

翅片管换热器作为生产生活中常见的热交换设备,广泛应用于能源动力、机械制造、空调工程等诸多领域。多数翅片管换热器管外流体为空气,由于空气的热物理性质导致换热器的热阻主要集中在空气侧,如何改善空气侧换热是需要研究的重点。涡... 详细信息

翅片管换热器作为生产生活中常见的热交换设备,广泛应用于能源动力、机械制造、空调工程等诸多领域。多数翅片管换热器管外流体为空气,由于空气的热物理性质导致换热器的热阻主要集中在空气侧,如何改善空气侧换热是需要研究的重点。涡发生器因具有强化换热效果好、流动阻力小、易于加工等优点受到了科研人员的广泛关注,因此,本文将在翅片表面加装八边形翼涡发生器,探究八边形翼对空气侧流动与换热特性的影响,旨在为翅片管换热器结构优化提供参考。本文以直面和曲面八边形翼翅片管为研究对象。在保持两种翼面积相同的基础上,首先,采用数值模拟方法对加装“渐缩式”直面八边形翼的翅片管空气侧流动与换热特性进行研究,探讨入口速度、翼攻角、翼结构参数对翅片管表面平均努塞尔数、通道阻力系数以及综合换热性能因子的影响;通过对速度云图、温度云图以及矢量图的分析,揭示直面八边形翼影响翅片管空气侧换热的内在机理,并与平直翅片管进行对比,得出最优的直面八边形翼翅片管结构;其次,对加装曲面八边形翼的翅片管空气侧流动与换热特性进行研究,探讨不同入口速度下改变曲面八边形翼相对换热基管的周向位置(β)和径向位置(rcow/rG)对翅片管空气侧流动与换热特性的影响,并分析得到最佳的曲面八边形翼位置参数;最后,比较直面和曲面八边形翼翅片管在流动和换热特性方面的差异,并着重对比研究两种翅片管在等泵功和等流量条件下的综合换热性能,为不同工况下的翅片管换热器选择提供相关理论依据。研究结果表明,空气流经直面、曲面八边形翼与基管壁形成的渐缩、环形通道时速度明显提高并冲击管后尾流区,均改善了该区域流动换热状况;此外,加装两种翼均能诱导流场产生一对旋向相反的纵向涡旋,并且涡旋核心靠近翅片,减薄了流体边界层。相同的雷诺数下,直面八边形翼翅片管平均努塞尔数和阻力系数均随着攻角的增大而增加;不同的翼结构参数对平均努塞尔数的影响也不同,而对阻力系数影响却很小;在研究的雷诺数范围内,当攻角为20°时,长6mm、高2.1mm、顶角纵切边2.6mm以及横切边0.65mm的直面八边形翼使得翅片管综合换热性能达到最佳。曲面八边形翼翅片管平均努塞尔数随着rcow/rG比值的增加先增大后减小,而随着β值的增加略微减小;rcow/rG和β值的增大均会使得阻力系数不断增加;在研究的雷诺数范围内,当rcow/rG=1.75、β=90°时,曲面八边形翼翅片管综合换热性能最佳。通过对直面和曲面八边形翼翅片管进行比较研究,发现在相同雷诺数下,直面翼翅片管平均努塞尔数和阻力系数均大于曲面翼翅片管;在等泵功条件下,直面翼翅片管综合换热性能相较曲面翼翅片管增加0.5%-2.1%;在等流量条件下,曲面翼翅片管综合换热性能相较直面翼翅片管增加2.6%-4.7%。

关键词：八边形翼翅片管换热器纵向涡综合换热性能数值模拟

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螺旋套管换热器壳程流体流动及传热性能研究

螺旋套管换热器壳程流体流动及传热性能研究

作者：李光瑜沈阳化工大学

学位级别：硕士

目前,螺旋套管换热器已被广泛应用于空调、化工、石油等工业领域。本文所研究的螺旋套管换热器是一种新型高效换热器,它将普通螺旋套管换热器的内管改用螺纹管,借助螺纹复合流体的螺旋运动,实现增强传热效果的目的。本课题基于螺旋套管... 详细信息

目前,螺旋套管换热器已被广泛应用于空调、化工、石油等工业领域。本文所研究的螺旋套管换热器是一种新型高效换热器,它将普通螺旋套管换热器的内管改用螺纹管,借助螺纹复合流体的螺旋运动,实现增强传热效果的目的。本课题基于螺旋套管换热器广泛的应用前景,以改善螺旋套管换热器结构、提高壳程流体的传热效率为目的,进行了如下研究:(1)采用CFD软件建立了内管为螺纹管的螺旋套管换热器的三维物理模型,通过网格无关性检验,排除了网格数量对数值模拟结果的影响,确定了适合仿真计算的网格结构,选用k-?湍流模型进行数值模拟计算,将模拟所得的结果与前人的经验公式进行了对比,最终证明了模拟方法的正确性。(2)针对光管、横向纹管、6头螺纹管、6头纵向纹管四种内管结构进行分析,得到其壳程流体在湍流工况下的流动特性、换热特性,并依据流动和传热综合特性选择内管,最终将6头螺纹管作为螺旋套管换热器内管;通过对比内管分别为螺纹管和光管的螺旋套管换热器壳程模型的多种云图(速度场、温度场、湍动能)和速度矢量图特点,揭示其内管为螺纹管模型壳程流体流动和换热的特性。研究结果表明:在四种内管结构中,6头螺纹管壳程流体流动和传热的综合性能最好,与内管为光管的壳程流体相比,综合换热性能最大提高了24%;观察云图细观信息发现,正是螺纹凸起对螺旋套管换热器壳程流体起到扰流和导流的双重作用,改变了流道横截面上的二次流结构,减薄了边界层厚度,增强壳程流体的湍流程度,实现了强化传热的目的。(3)研究槽高h、内螺距p、曲率Q、螺旋槽头数N等结构参数对内管采用螺纹管的螺旋套管换热器壳程流体的换热、流动及其综合性能的影响。结果表明:在研究范围内,流体流动和传热综合性能随槽高h先增大后减小,槽高取2mm时综合性能最优;流动和传热综合性能随内螺距p增大而减小,内螺距取0.0673时综合性能最优;流动和传热综合性能随曲率Q增大而增大,曲率取0.08时综合性能最优;流动和传热综合性能随头数N增多而增大,头数取6时综合性能最优。(4)利用场协同原理,以壳程流体速度场和温度场的平均协同角和协同数作为评价指标,分析内管为螺纹管换热器的强化传热机制。结果表明:螺纹凸起附近区域协同性较中心流体区域好,内管为螺纹管的壳程流体相比内管为光管的壳程流体的整体协同性好;雷诺数增加,场协同角增大,场协同数减小,整体协同性能降低。

关键词：螺旋套管换热器综合换热性能强化传热流体流动场协同理论

延伸冲击孔冲击冷却流动与换热特性的数值研究

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推进技术 2022年第10期43卷 291-298页

作者：吴航杨星赵强武斌丰镇平西安交通大学能源与动力工程学院陕西西安710049

为了研究冲击孔延伸长度对于冲击冷却系统冷却性能的影响,采用数值模拟方法分析了3个冲击雷诺数和5个冲击孔延伸长度对冲击腔内流动与换热特性的影响,给出了靶面努塞尔数分布、靶面压力分布、中心截面流速与综合换热性能的变化。结果表... 详细信息

为了研究冲击孔延伸长度对于冲击冷却系统冷却性能的影响,采用数值模拟方法分析了3个冲击雷诺数和5个冲击孔延伸长度对冲击腔内流动与换热特性的影响,给出了靶面努塞尔数分布、靶面压力分布、中心截面流速与综合换热性能的变化。结果表明:延伸冲击孔可以有效地防止横流对冲击射流的偏转作用,同时使射流出口更加贴近冲击靶面壁面,冲击速度更高,可以明显提高靶面的换热系数,并且整个靶面上的换热系数分布也更加均匀。冲击冷却的冷却性能随着冲击孔延伸长度的增加而增加。相较于传统冲击冷却(Baseline),在延伸距离为冲击孔直径的2.5倍时,靶面平均努塞尔数提升达15%以上,但压力损失也相对较高;对比不同延伸长度冲击孔的综合换热性能,发现存在最佳的延伸距离范围,使冲击冷却系统获得最佳的综合冷却性能。在本研究范围内,最佳延伸距离为冲击孔直径的2.5倍。

关键词：冲击冷却延伸冲击孔换热特性流动特性综合换热性能

基于Kriging的不确定性量化及鲁棒性优化的研究

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工程热物理学报 2019年第3期40卷 537-542页

作者：陶志郭振东李琛玺宋立明李军丰镇平西安交通大学叶轮机械研究所西安710049

基于Kriging代理模型,提出了适用于多维、不同概率分布的不确定性量化方法。耦合自适应多目标差分进化算法和RANS方程求解技术,建立了鲁棒性优化设计框架。在数值验证基础上,考虑进口雷诺数和倒角半径的不确定性,以综合换热性能的均值... 详细信息

基于Kriging代理模型,提出了适用于多维、不同概率分布的不确定性量化方法。耦合自适应多目标差分进化算法和RANS方程求解技术,建立了鲁棒性优化设计框架。在数值验证基础上,考虑进口雷诺数和倒角半径的不确定性,以综合换热性能的均值最大、方差最小为目标,完成了内冷通道三角形涡发生器强化换热鲁棒性优化设计。最优设计的平均综合换热性能提升超过11.5%,且性能对不确定性变量的敏感度显著降低。最后,通过流场分析揭示了最优设计换热性能提升的主要原因。

关键词：不确定性量化鲁棒性优化设计三角形涡发生器综合换热性能