肋矩形直通道內(nèi)的冷卻空氣換熱特性

利用realizablek-ε湍流模型對(duì)帶缺口的梯形擾流片進(jìn)行流動(dòng)和傳熱特性的數(shù)值模擬,研究了梯形擾流片的缺口位置及流動(dòng)方式對(duì)矩形通道內(nèi)流場(chǎng)以及傳熱的影響,同時(shí)通過(guò)對(duì)渦量、流線(xiàn)、流速分布、壓力變化、湍流強(qiáng)度等的分析,揭示了擾流片強(qiáng)化傳熱的機(jī)理。結(jié)果表明,逆流時(shí)nusselt數(shù)比順流時(shí)提高了21.7%,同時(shí)摩擦因子也提高了25%。順流時(shí)內(nèi)側(cè)缺口繞流片提高了傳熱系數(shù)的同時(shí)也增加了摩擦阻力,而外側(cè)缺口的繞流片降低了傳熱系數(shù)同時(shí)也降低了形狀阻力。研究發(fā)現(xiàn)較低reynolds數(shù)下(10000<re<14000),逆流體現(xiàn)了較好的綜合性能,但較高reynolds數(shù)下(14000<re<20000),帶缺口的繞流片則表現(xiàn)更好的綜合性能。由于kelvin-helmholtz不穩(wěn)定性導(dǎo)致了繞流片頂端后緣產(chǎn)生自由剪切層并誘發(fā)了發(fā)夾渦;繞流片的前后壓差導(dǎo)致了流場(chǎng)內(nèi)流體的旋流運(yùn)動(dòng),形成了兩個(gè)縱向渦;擾流片背面的逆壓梯度產(chǎn)生了回流并形成回流渦?？v向渦強(qiáng)化了壁面與流動(dòng)中心的對(duì)流傳遞過(guò)程,發(fā)夾渦則強(qiáng)化了主流區(qū)的流動(dòng)混合,兩種渦的共同作用加速了壁面的熱量交換,實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)化傳熱。

對(duì)水平放置矩形截面螺旋通道內(nèi)彈狀流的流動(dòng)特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得了不同周角下的氣彈演變過(guò)程和局部流動(dòng)特征,結(jié)果表明,其流動(dòng)特性會(huì)隨著螺旋周角位置的變化而變化。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn),同一工況下,不同轉(zhuǎn)角氣彈的運(yùn)動(dòng)速度、頻率和長(zhǎng)度分布不盡相同。重力和離心力的相對(duì)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(shí)刻的液膜厚度的演變過(guò)程。最后對(duì)下降液膜的運(yùn)動(dòng)速度展開(kāi)了分析研究,在螺旋上升過(guò)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。

對(duì)寬度為1和0.1mm豎直矩形細(xì)通道內(nèi)的沸騰換熱展開(kāi)研究,通過(guò)數(shù)值模擬的方法探索汽泡生成、長(zhǎng)大和脫離的過(guò)程;用幾何重構(gòu)和界面追蹤的方法獲取相界面移動(dòng)和變化對(duì)系統(tǒng)內(nèi)壓差以及平均表面換熱系數(shù)的影響,計(jì)算中考慮了重力、表面張力和壁面黏性的作用。發(fā)現(xiàn):通道寬度的不同對(duì)汽泡生長(zhǎng)方式和汽泡形態(tài)產(chǎn)生很大影響,并由此導(dǎo)致臨界熱流密度的變化;表面張力在細(xì)通道沸騰換熱過(guò)程中所起的作用要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于重力;隨著通道尺寸的減小,沸騰換熱系數(shù)明顯增大,證明了細(xì)通道有強(qiáng)化換熱的作用;由于數(shù)值計(jì)算中進(jìn)行的理想化假設(shè),導(dǎo)致數(shù)值模擬的沸騰換熱系數(shù)比現(xiàn)有細(xì)通道沸騰換熱實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)普遍偏高。

對(duì)耦合了熱輻射的垂直矩形通道內(nèi)的混合對(duì)流情況進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬分析。研究表明:空氣在通道內(nèi)向上流動(dòng)時(shí),隨著浮升力作用的增大,對(duì)流換熱能力表現(xiàn)出先減小后增強(qiáng)的趨勢(shì);熱輻射在換熱過(guò)程中起著重要的作用,并隨著對(duì)流換熱能力的減弱而增強(qiáng)。數(shù)值模擬在浮升力影響較小時(shí)可以給出較好的結(jié)果,當(dāng)浮升力影響比較大時(shí),數(shù)值模擬計(jì)算的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)有較大的偏差。

應(yīng)用數(shù)值模擬方法分析了以周期性方式布置不同結(jié)構(gòu)通道內(nèi)產(chǎn)生的周期性自振蕩流動(dòng)現(xiàn)象,并研究了自激振蕩流對(duì)下壁面物塊傳熱特性的影響。計(jì)算采用低reynolds數(shù)、二維、非穩(wěn)態(tài)層流模型。采用布置斜板和布置兩個(gè)不同彎曲方向葉片3種方式來(lái)誘導(dǎo)自激振蕩流。分別對(duì)不同結(jié)構(gòu)通道內(nèi)流體的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、nusselt數(shù)和表面摩擦系數(shù)變化規(guī)律進(jìn)行了對(duì)比分析。計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn):3種結(jié)構(gòu)由穩(wěn)態(tài)過(guò)渡到自振蕩流時(shí)對(duì)應(yīng)的臨界reyn-olds數(shù)都很低,分別為620、480、400,并且有較低臨界reynolds數(shù)的通道結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)較強(qiáng)烈的振蕩,表現(xiàn)為溝槽區(qū)域的強(qiáng)烈渦結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng),及由此帶來(lái)的更好的換熱效果。此外,表面摩擦系數(shù)因通道渦結(jié)構(gòu)相異而有不同的變化趨勢(shì)。

對(duì)電站直接空冷系統(tǒng)的基本換熱元件矩形翅片橢圓管建立三維物理數(shù)學(xué)模型,對(duì)空氣側(cè)流動(dòng)和傳熱性能進(jìn)行數(shù)值研究．分析了不同迎面風(fēng)速下翅片上無(wú)擾流孔和開(kāi)有擾流孔兩種情況下矩形翅片表面的局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)分布規(guī)律,發(fā)現(xiàn)橢圓基管后存在的尾流區(qū)使得翅片的強(qiáng)化換熱作用減弱。比較了擾流孔的尺寸、數(shù)目和位置對(duì)管外空氣側(cè)流動(dòng)與換熱的影響,結(jié)果表明:擾流孔尺寸對(duì)流動(dòng)與換熱存在明顯影響,而擾流孔數(shù)目和位置的影響相對(duì)比較?。?/p>

以空氣-水為介質(zhì),通過(guò)可視化實(shí)驗(yàn)的方法,對(duì)邊長(zhǎng)為10mm的正方形截面通道內(nèi)空氣-水垂直上升流動(dòng)的兩相流流型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,表觀氣速為0.04~100m/s,表觀水速為0.001~6m/s.觀察到了正方形截面通道內(nèi)兩相流動(dòng)的典型流型,通過(guò)管外可視化及內(nèi)視鏡伸入管道內(nèi)拍攝到清晰的環(huán)狀流和爬動(dòng)流流型,證實(shí)了正方形截面直通道內(nèi)存在"二次流"現(xiàn)象,且對(duì)氣-液兩相流動(dòng)的相分布有較大影響.將正方形截面爬動(dòng)流與圓通道內(nèi)的溪狀流進(jìn)行了比較,由于其中的作用力不同,它們?cè)诎l(fā)生條件、流動(dòng)形態(tài)及液膜形狀上有很多異同點(diǎn),圓通道內(nèi)溪狀流的液膜是隨機(jī)出現(xiàn)和分布的,數(shù)條液帶、液絲的位置不確定,尺寸相差懸殊.利用單能γ射線(xiàn)傳感器測(cè)量了正方形通道內(nèi)爬動(dòng)流及環(huán)狀流的液膜厚度,得到壁面上液膜厚度的分布圖,證明了正方形通道內(nèi)隨著表觀氣速的增大,二次流作用逐漸增強(qiáng),使得壁面上液膜分布的不均勻,壁面中心處液膜最厚.

采用levelset方法和耦合表面張力模型的navier-stokes方程,結(jié)合ale數(shù)值算法,直接模擬了豎直通道內(nèi)兩個(gè)相鄰氣泡的上升。重點(diǎn)研究不同空間布置的8mm氣泡對(duì)后面的尾跡流及其相互作用。數(shù)值模擬準(zhǔn)確再現(xiàn)氣泡對(duì)的變形、吸引及排斥行為,氣泡上升速度計(jì)算結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)式吻合。模擬結(jié)果表明,兩個(gè)氣泡后面的尾跡流及其相互作用決定了上升氣泡對(duì)的行為。并排上升的氣泡對(duì),由于尾流區(qū)被一個(gè)射流流動(dòng)分隔,氣泡對(duì)沒(méi)有聚并;然而當(dāng)垂直上升氣泡對(duì)中的尾隨氣泡有超過(guò)50%的投影面積進(jìn)入到前頭氣泡的尾流區(qū),聚并現(xiàn)象發(fā)生。

豎直通道電纜 豎直通道電纜是指在豎直的電纜井通道內(nèi)垂敷設(shè)的電纜。這種電纜敷 設(shè)時(shí)每個(gè)支架處均需固定，所用的電纜夾具必須統(tǒng)一，且保持美觀一致。 使用于交流的單芯電纜或分相鉛包電纜在分相后固定時(shí)，其夾具不應(yīng)有鐵 件構(gòu)成的閉合磁路。裸鉛包電纜的固定處應(yīng)加軟襯墊保護(hù)。而且豎直通道 電纜一般不采用油浸紙絕緣電力電纜，因?yàn)榇怪狈笤O(shè)有很大的位差，低端 電纜由于油積聚而使鉛包脹裂，而高端則會(huì)由于絕緣油干枯而使絕緣強(qiáng)度 降低。 關(guān)于豎直通道，不要以為只要是垂直敷設(shè)就算豎直通道，垂直穿管或 橋架內(nèi)敷設(shè)均不屬于豎直通道，只有在專(zhuān)用電纜井或豎井等建筑內(nèi)明敷的， 才能算豎直通道。根據(jù)定額解釋?zhuān)Q直通道內(nèi)和穿超豎直通道部分均為豎 直通道，也就是說(shuō)根據(jù)敷設(shè)方式，從下向上敷設(shè)，豎直通道內(nèi)和豎直通道 以上的所有部分均認(rèn)為豎直通道，而豎直通道以下的水平或埋地部分則不 能認(rèn)為豎直通道

換熱器的結(jié)構(gòu)型式及種類(lèi)繁多,矩形截面換熱器是常用的一種。我廠丙烯酸裝置(ae裝置)全套自日本引進(jìn),其換熱器均為矩形截面,其中e101換熱器是我廠氧化精制系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備(圖1)。1984年正式投

對(duì)旋轉(zhuǎn)矩形通道內(nèi)的湍流流動(dòng)和換熱進(jìn)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(shí)間推進(jìn)采用二階顯式adams-bashforth格式.分析了旋轉(zhuǎn)對(duì)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(shí),隨旋轉(zhuǎn)數(shù)的增大,管道截面的平均速度減小,平均湍動(dòng)能減小,與靜止時(shí)相比,旋轉(zhuǎn)數(shù)為1.5時(shí)平均湍動(dòng)能減小了33%;在考慮離心力的影響時(shí),對(duì)于徑向旋轉(zhuǎn)軸向出流,平均速度增大,平均湍動(dòng)能增大,而對(duì)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(shí),與不考慮浮升力相比,對(duì)于徑向旋轉(zhuǎn)軸向出流,平均湍動(dòng)能增大了17%,而對(duì)于徑向旋轉(zhuǎn)軸向入流,平均湍動(dòng)能減小了43%.

以氮?dú)夂退疄閷?shí)驗(yàn)介質(zhì),利用高速攝像機(jī)對(duì)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(dòng)特性進(jìn)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(duì)小通道內(nèi)氣泡之間相互無(wú)遮掩性的優(yōu)勢(shì),運(yùn)用圖像處理技術(shù)對(duì)流型圖像分形增強(qiáng),檢測(cè)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(dòng)的含氣率。結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),根據(jù)分液相reynolds數(shù)把流動(dòng)分為層流區(qū)、過(guò)渡區(qū)和紊流區(qū),并對(duì)chisholm關(guān)系式進(jìn)行修正,結(jié)果表明:修正后的壓降模型能較好地預(yù)測(cè)本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

用實(shí)驗(yàn)方法研究了定常狀態(tài)下,不同的肋高度和不同肋條數(shù)對(duì)螺旋內(nèi)肋銅管內(nèi)的流阻和換熱特性的影響.螺旋內(nèi)肋銅管內(nèi)徑為7mm,內(nèi)肋高為0和0.22mm,0.24mm和0.25mm,肋條數(shù)為44和60,雷諾數(shù)在900~6500范圍之內(nèi).以無(wú)螺旋肋的光滑銅管作為基準(zhǔn),研究了螺旋內(nèi)肋高和螺旋條數(shù)對(duì)換熱效果及阻力的影響.結(jié)果表明:有螺旋肋的管內(nèi)換熱都得到了增強(qiáng);螺旋肋高度為0.25mm的銅管的換熱效果明顯大于其它兩種肋高管的換熱效果,肋高為0.22mm和0.24mm的內(nèi)肋銅管的換熱效果相當(dāng);肋的高度對(duì)阻力系數(shù)的影響卻是隨著肋高的增大而增大.螺旋肋的條數(shù)越大,阻力越大,換熱效果也越好.

文章采用激光影像放大系統(tǒng),對(duì)垂直放置的100μm×800μm矩形微通道內(nèi)氣液二相流流型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)觀測(cè)和研究,實(shí)驗(yàn)物系為乙醇-空氣體系。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制出流型轉(zhuǎn)換圖,并進(jìn)行了分析和討論。實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到彈狀流、液環(huán)-彈狀流、液環(huán)流、液環(huán)-分層流、分層流和波狀流,而未觀察到氣泡直徑小于微通道內(nèi)徑的氣泡流,其中穩(wěn)定的分層流文獻(xiàn)中尚未見(jiàn)報(bào)道。

可視化研究窄縫通道內(nèi)汽泡生長(zhǎng)和脫離對(duì)于揭示窄縫通道內(nèi)的沸騰傳熱機(jī)理具有重要意義。本文采用高速攝影儀從寬面和窄面可視化觀察了常壓條件下矩形窄縫通道內(nèi)汽泡核化生長(zhǎng)和脫離規(guī)律。研究結(jié)果表明,汽泡在核化點(diǎn)生長(zhǎng)時(shí),汽泡底部與加熱面存在一小的接觸面,總體而言,汽泡在生長(zhǎng)過(guò)程中基本呈球狀。在相同熱工參數(shù)下,不同核化點(diǎn)處汽泡生長(zhǎng)規(guī)律基本相同,但汽泡脫離直徑相差較大。窄縫通道內(nèi)汽泡生長(zhǎng)速率小,脫離時(shí)間較長(zhǎng),可采用修正的zuber公式預(yù)測(cè)窄縫通道內(nèi)汽泡生長(zhǎng)直徑。在同一拍攝窗口內(nèi),統(tǒng)計(jì)分析了熱工參數(shù)對(duì)汽泡平均脫離直徑的影響規(guī)律。隨熱流密度的增加,汽泡平均脫離直徑減小;隨入口欠熱度的增加,汽泡平均脫離直徑減小;隨主流速度的增加,汽泡平均脫離直徑減小。

采用高速攝像儀從寬面和窄面立體可視化觀察了滑移汽泡的運(yùn)動(dòng)特征。研究結(jié)果表明:汽泡脫離核化點(diǎn)后都沿加熱面平行滑移,在低熱流密度下存在典型滑移汽泡現(xiàn)象?；破菪螤羁傮w呈球形,其前后接觸角相差不大。汽泡脫離后初始一段時(shí)間內(nèi),滑移汽泡速度增加的較快,一定時(shí)間后,其速度值超過(guò)了當(dāng)?shù)亓黧w速度。隨著運(yùn)動(dòng)時(shí)間的繼續(xù)增加,滑移汽泡基本呈勻速運(yùn)動(dòng)?；破莸闹睆皆酱?其運(yùn)動(dòng)速度也越大;主流速度越大,滑移汽泡平均速度越大,且主流速度增加后,滑移汽泡速度增加較快。

將航空發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道支板沖擊腔簡(jiǎn)化和放大為一帶射流的收縮型通道,并采用最新窄帶熱色液晶全表面瞬態(tài)測(cè)溫技術(shù)對(duì)其內(nèi)表面進(jìn)行沖擊換熱實(shí)驗(yàn),具體研究了射流雷諾數(shù)、孔徑及孔間距變化對(duì)努賽爾數(shù)分布及大小的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:射流雷諾數(shù)的增大、孔徑的增大及孔間距的減少均使通道內(nèi)部換熱得以加強(qiáng),但努賽爾數(shù)分布的變化及平均努賽爾數(shù)的增幅不盡相同;并且側(cè)壁換熱受孔間距影響最大,前緣換熱則受射流雷諾數(shù)的影響最大。

本文以去離子水為工質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),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(dòng)參數(shù),分析沿流動(dòng)方向的壁面溫度分布特性和測(cè)溫點(diǎn)處的局部換熱系數(shù)。實(shí)驗(yàn)表明:以對(duì)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(duì)于換熱系數(shù)基本沒(méi)有影響;當(dāng)干度χ0.1時(shí),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。

針對(duì)簡(jiǎn)諧脈動(dòng)層流條件下矩形通道內(nèi)的阻力特性進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)研究?；诿}動(dòng)條件下矩形通道內(nèi)層流流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型,分析了脈動(dòng)周期、脈動(dòng)振幅等因素對(duì)摩阻常數(shù)的影響,并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明:脈動(dòng)層流摩阻常數(shù)與脈動(dòng)周期、脈動(dòng)振幅、通道高寬比和流體性質(zhì)有關(guān);層流摩阻常數(shù)理論值與實(shí)驗(yàn)值相吻合,脈動(dòng)周期越小或相對(duì)振幅越大,層流摩阻常數(shù)的峰值越大、谷值越小,層流摩阻常數(shù)脈動(dòng)的幅度越大。

在機(jī)玻璃豎直矩形通道內(nèi)，以空氣和去離子水為工質(zhì)獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。據(jù)此對(duì)豎直矩形小通道內(nèi)均相流模型的適用性進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，采用mcadams兩相粘度時(shí)均相流模型及chen等提出的修正均相流模型能較好用于1．41mm間隙通道壓降的預(yù)測(cè)，平均絕對(duì)誤差分別為10．92％和12．20％；采用mcadams兩相粘度時(shí)均相流模型對(duì)于3mm間隙通道在兩相雷諾數(shù)jrp大于6000時(shí)平均絕對(duì)誤差為10．04％，但氣．液兩相脅較低時(shí)預(yù)測(cè)偏差較大。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得到了均相流模型適用于3mm間隙通道的范圍；針對(duì)兩相re較低的區(qū)域擬合得到了新的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，其預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值符合較好。

為研究側(cè)開(kāi)縫豎直通道內(nèi)旋轉(zhuǎn)火焰高度的特性,搭建了內(nèi)部尺寸為32cm(長(zhǎng))×32cm(寬)×200cm(高)的豎直通道,選取正庚烷和酒精為燃料,在斜對(duì)側(cè)開(kāi)縫和正對(duì)側(cè)開(kāi)縫兩種形式下進(jìn)行了不同直徑火源的旋轉(zhuǎn)火焰實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,初期旋轉(zhuǎn)火焰的高度值首先經(jīng)歷一個(gè)相對(duì)短暫的前期穩(wěn)定階段,之后達(dá)到最大值穩(wěn)定階段;以正庚烷為燃料形成的強(qiáng)烈旋轉(zhuǎn)火焰高度在后期迅速下降,而以酒精為燃料時(shí)火焰高度的下降會(huì)經(jīng)歷一個(gè)緩沖的階段;當(dāng)以正庚烷為燃料時(shí),火焰高度同時(shí)受到浮力和旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度的雙重影響.并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)火焰高度的無(wú)量綱表達(dá)式進(jìn)行了修正.

通過(guò)對(duì)寬高比為0.05的矩形通道內(nèi)兩相流動(dòng)阻力特性的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果,以及與現(xiàn)有經(jīng)典公式的對(duì)比分析結(jié)果表明,現(xiàn)有公式在預(yù)測(cè)較小寬高比的矩形通道內(nèi)阻力特性時(shí)偏差較大。引入了能夠反映小通道對(duì)氣泡生長(zhǎng)的限制特性無(wú)量綱nconf,用于對(duì)小寬高比矩形通道阻力特性的預(yù)測(cè),并采用lockhart-martinelli方法擬合了c系數(shù)預(yù)測(cè)關(guān)系式。預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較,發(fā)現(xiàn)95%的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)值相對(duì)偏差在±15%以?xún)?nèi)。