李艳霞[1]2003年在《粗糙表面射流冲击复合强化传热实验研究》文中研究指明强化传热的研究应用一直是学术界和工程界极为重视的领域。射流冲击传热作为一种有效的强化传热方式，具有极高的传热效率，日益受到人们的重视，对其研究也正不断深入。射流冲击传热技术已被广泛应用于工业生产中，包括计算机、内燃机冷却等高热负荷科技领域。 粗糙表面对对流传热过程具有一定的强化作用。粗糙传热表面用于射流冲击传热过程将显着提高其传热效率，极大地促进射流冲击复合强化传热技术的应用。 本文对粗糙表面单相射流冲击传热规律进行了研究，测量具有一定粗糙度的传热壁面温度的分布及其变化，进而得到传热系数的分布。同时测定了相对光滑表面上的射流冲击传热系数。对粗糙表面和相对光滑表面射流冲击传热的强化效果进行比较，研究粗糙表面下射流冲击的传热性能。 本实验中，建立了一套完整的射流冲击传热实验系统，首先以R113为工质对相对光滑表面射流冲击传热进行了验证性实验。实验结果与前人利用薄膜实验件所得到的实验结果有着相似的规律，在驻点区传热系数随Re数的增大而增大；本研究采用的实验件，重点在于考察平均换热性能，而且由于现有实验条件有限，不能直接测量冲击表面温度，因而驻点局部传热系数低于已有的研究结果，在高雷诺数下近壁面时的射流冲击传热也没有发现二次峰值现象。 在此基础上，用相对粗糙表面代替相对光滑表面，以R113为工质对粗糙表面射流冲击传热进行了研究。结果表明，与相对光滑表面射流冲击相比，粗糙表面射流冲击显着提高传热效率。驻点传热系数随Re数的增大而提高的效果越为显着。当喷射间距一定时，雷诺数Re增大，平均传热的强化效果增强。
孙强[2]2010年在《玻璃压制成形工艺的数值模拟方法》文中研究说明作为玻璃制品成形的主要生产工艺,压制成形以其快速、高效、精确等特点成为玻璃制品最有效的成形工艺之一。但是,成形中的一些重要特征和复杂现象还缺乏深入分析与建模,没有实现描述精密玻璃成形中复杂过程与现象的整体建模,缺乏系统全面的理论基础、精确完备的基础数据和先进可靠的设计工具,这已成为制约精密玻璃成形快速发展的主要瓶颈。因此,建立描述成形过程的有机整体数学模型,定量分析成形中的各种物理变化与特征现象,正确形成成形缺陷产生的机理与判据,成为摆在精密玻璃成形研究人员面前的一项艰巨而紧迫的任务。本文以显像管玻壳为研究对象,通过成形过程的数值模拟技术,对压制成形中玻璃的流动、冷却、应力、变形过程进行集成模拟,在模具制造之前形象直观地仿真成形全过程,预测模具设计和成形条件对产品的影响,优化模具结构和工艺条件。本文的研究内容主要包括如下几个方面：在流场模拟中,从流体力学的基本理论出发,根据玻璃压制成形过程的特点,引入合理假设,简化叁维熔体控制方程,建立了描述玻璃压制成形流动过程的数学模型。然后,采用有限元方法离散并求解控制方程,为了抑制计算过程中产生的数值震荡,提高求解过程的稳定性,对简化后的控制方程分别采用伽辽金最小二乘稳定性计算格式和梯度伽辽金最小二乘计算格式进行离散求解。在温度场模拟过程中,提出了一种用于模拟玻壳和模具冷却温度场的数值计算方法,同时对制品的瞬态非线性热传导、模具的热传导、气体冲击冷却的热传递、冷却介质和模具间的稳态对流换热进行建模,模拟实际成形过程。该系统利用有限差分法,在厚度方向上对玻壳采用一维瞬态分析,模具的传热分析采用了叁维边界元方法来模拟叁维热传导,玻壳和模具通过耦合分析来匹配型腔表面的温度和热流量。在残余应力与变形过程模拟中,建立了玻壳残余应力的计算模型以及其数值求解过程,针对玻壳的形状特点提出了剪切板假设,采用了适合玻壳材料特性的粘弹性材料模型,并根据玻壳成形特点建立了合适的边界条件。在残余应力计算的基础上,采用叁角形平板壳有限元方法计算了玻壳的变形。在强化传热过程的模拟中,针对玻璃模具最常用的两种强化方法,对冲击射流和人为粗糙度的强化换热机理进行了较深入研究,在此基础上,结合工程实际,提出了玻壳模具冷却系统的改进方案,采用商品化软件FLUENT 6.1进行数值模拟和方案优化。通过与实验结果对比以及商用CAE软件的分析结果的对照,验证了所提出的模型和方法的正确性。在此基础上开发了相应的模拟系统,直观地仿真成形全过程,成为玻璃成形工艺及模具结构设计的一个有力的工具。
耿铁, 闫丽群[3]2011年在《人为粗糙度强化换热技术研究概述》文中研究指明人为粗糙度强化换热技术的研究既具有重要的理论意义又具有广阔的应用前景,经过长期的研究和探索,人们对它的认识不断加深,研究范围不断扩大。对人为粗糙度强化换热技术的机理进行了分析,对其研究和应用现状进行了综述。
姜波[4]2010年在《振动强化传热机理分析及新型振动传热元件实验研究》文中提出面对日益严重的能源短缺与环境污染,开发新能源、提高能源利用率已成为国际社会有效缓解这一双重压力的重要途径,与之相关的理论与方法必将继续成.为研究的热点。振动强化传热因其良好的效果曾在上世纪五六十年代引起了广泛的关注,但因难以在换热器内实现振动而停止研究。随着流体诱导振动传热元件的提出,实现振动的方法有了变革性的拓展,这一课题也在逐渐兴起。本文从理论分析、数值模拟与实验研究叁方面对振动强化传热的机理进行了较为细致的分析,提出了流体诱导振动强化传热元件——新型弹性管束,并对其固有振动特性、传热特性进行了系统研究。建立了振动管外流动传热的CFD动网格模型,得到了1／4周期内不同时相位的管外速度矢量图。与无振动工况对比,振动能够增加管壁与近壁区流体的相对速度,能够在平行振动方向上的管壁两侧形成有效地冲刷。得到了有、无振动工况的温度场分布图,对比两者可以发现在相同的传热温差下振动工况的热边界层薄、温度梯度大,说明振动能够有效强化传热。提出了有效速度的概念,并采用该参数作为强化传热性能优劣的评价指标。计算了振动圆管近壁区流体在不同时相位、面相位的场协同角余弦值及有效速度值。在每一个确定的时相位下,面相位β=0-360°区间内其协同角余弦值与有效速度值均存在两个变化周期。其中,两峰值分别对应于平行振动方向的管壁左右两侧,两谷值则对应于垂直振动方向的上下两侧。在1／4周期内,随着时相位的升高,其管外平均场协同角余弦值及有效速度值均逐渐增加。计算了不同管型在不同振动频率、振幅下的管外平均场协同角余弦值及有效速度值。对于同一管型与振幅,随着频率的升高,其管外平均场协同角余弦值变化较小,但其管外流体的有效速度值呈近似线性增加。在相同振动频率与振幅下,沿椭圆长轴、圆管径向及椭圆短轴方向振动的管外平均场协同角余弦值、有效速度值均为依次增加,证明除频率和振幅等参数外,管型也是影响换热性能的重要因素。在半周期内,时相位为90°时振动管外的有效速度值最大。建立了振动管外流场的PIV实验台,对不同管型的振动管外流场进行了可视化实验研究,得到了不同工况下的管外流场速度矢量图,其结果与同参数的数值模拟结果吻合较好。建立了单管振动传热实验台,对实验装置与测试系统的可靠性进行了系统分析。得到了不同振幅、频率及振动管型下的表面传热系数,总结了叁因素对管外换热性能的影响规律。在相同振动频率与振幅下,沿椭圆长轴、圆管径向及椭圆短轴方向振动的换热性能依次增强,采用叁因素叁水平正交表对实验数据进行极差及方差分析,结果证明除频率和振幅等参数外,管型也是影响换热性能的重要因素,与数值模拟结果吻合。同时,得到了表面传热系数和振动参数之间的拟合关联式。对实验中出现的共振现象进行了分析讨论,共振能够引起表面传热系数成倍提高,在实验装置可靠性允许的范围内,共振有利于强化传热。提出了一种新型的弹性管束,与原管束相比,该管束与立柱相连接的端部所受弯矩小于原管束的1／6,受力特性有了较大的改善；同时单位容积的换热面积约增加24.7%。对新型弹性管束进行模态实验研究,结果表明,新型弹性管束的振型较为复杂,为面内、面外振动相结合的叁维振动：与原管束相比,其固有频率相对较低,并且其中间2#、3#两弹性管的振动较其它两根强烈,原因是其有着相对自由的边界条件。对新型弹性管束进行有限元分析,模拟结果与模态实验结果吻合较好,证明本文采用的实验模拟方法具有较高的可靠性。建立了新型弹性管束换热器电加热恒热流传热实验台,对实验装置和测试系统进行了可靠性验证。在管外流体诱导振动条件下,弹性管束的管外平均表面传热系数基本为固定管束的3倍以上,强化传热效果显着。设计了电机驱动及流体诱导脉动装置,得到了新型弹性管束在不同流体脉动频率下的管外平均表面传热系数,并对各脉动工况下的流动阻力及综合传热性能进行分析,得出低频脉动工况有利于强化传热。得到了不同布置方式下弹性管束的管外平均表面传热系数,通过比较可以发现,大多数工况下,管束换热效果的优劣顺序为：两侧分布-错排>单侧分布-错排>单侧分布-顺排。同时,拟合得到了不同工况下的实验关联式,与实验数据对比最大误差小于5.0%。得到了新型弹性管束的局部表面传热系数,中间两根弹性管的传热系数要明显高于边缘两管,将四根弹性管各位置所测传热系数平均可以得到四管换热性能的强弱次序,即2#>3#>1#>4#。其中,中间两弹性管小自由端的管外表面传热系数要略高于换热元件的其它位置。建立了新型弹性管束换热器水-水、汽-水传热实验台,对两种条件下的新型弹性管束进行了传热实验研究,并对弹性管束管内、管外传热系数进行分离。在新型弹性管束管内流体入口安装了脉动装置,得到了水-水换热条件下不同流量、脉动频率的弹性管束管内外表面传热系数、传热系数。实验结果表明,该工况下管内流体脉动对弹性管束的传热特性基本无影响。水-水与汽-水换热条件下,弹性管束的管外表面传热系数与恒热流条件相比有较为明显的提高,其中,汽-水换热条件下提高最大,原因为管内介质能够在很大程度上改变弹性管束的振动特性、从而强化传热。建立了流固耦合(FSI)简化模型,计算得出了流向最大形变随流体与结构各参数的变化规律曲线。通过极差分析得出了流体与结构参数对结构流向形变的影响大小,其中管长、流体速度、管厚与流体密度为影响结构形变的主要因素。通过数据拟合得到了最大流向形变与流体、结构参数间的计算关联式,与计算结果的平均误差为8.2%。同时,可以通过合理选择各参数的具体数值来有效控制结构形变的大小,为工程设备的运行设计提供参考依据。
张亚[5]2003年在《空气在不同肋排列叁维内肋管中的热力性能研究》文中进行了进一步梳理管内单相强迫对流换热是强化传热技术的一个重要研究领域，在降低换热器的能源消耗、减小换热器体积和重量方面有着十分重要的作用。本文所研究的叁维内肋管就是应用于各种换热器中单相强迫对流换热的新型强化传热管。叁维肋管的使用结果表明：它具有良好的强化传热效果和优良的热力性能。但由于叁维内肋管的叁维肋结构的复杂性，目前对其强化传热机理的分析和研究远未完成，特别是肋排列形式和肋形结构尺寸等影响管内对流换热特性的系统研究工作仍需要进行更加完善的研究。叁维内肋管有肋顺排、肋叉排和肋螺旋排叁种排列方式。原来的研究只对肋叉排叁维内肋管的热力性能作过较为粗略的系统研究。本文主要是运用正交试验的方法，系统地研究了肋顺排叁维内肋管和肋螺旋排叁维内肋管。通过对正交试验结果进行常规分析，确定了肋顺排叁维内肋管和肋螺旋排叁维内肋管的肋几何参数的优化方向。同时，也将肋顺排、肋叉排和肋螺旋排叁种排列方式的叁维内肋管的肋尺寸、螺旋级数和排列方式进行了综合性的比较。本文以空气为工质，在Re=300~35000的范围内对四根肋顺排叁维内肋管和八根肋螺旋排叁维内肋管的热力性能进行了研究，并运用最小二乘法分析和处理实验数据，获得了努谢尔特数、范宁摩擦系数与雷诺数、肋几何参数的准则方程式，并对叁种不同肋排列的叁维内肋管的这几种方程式进行了罗列、比较和分析，从而为实践中的选择提供了重要的根据。另外，本文首次发现了空气在经过叁维内肋管时在过渡流区内会存在“热力性能增速不稳定区”，在这个区域中，换热强化比M和阻力增大比N会有一个陡降的阶段，而热力性能系数增加的速率比在层流区的要稍微缓慢些。发现这个区域的重要意义在于为工程实践提供了选择叁维内肋管流态区域的依据。本文根据实验数据获得的拟合方程式和重要结论可用于不同排列的叁维内肋管换热器的设计领域，为在工程应用中合理的选取叁维内肋管的排列方式、最佳肋尺寸结构，以及计算换热系数和流动阻力提供了一定的理论依据。
杨力[6]2015年在《基于冲击的燃气轮机透平叶片冷却结构研究》文中进行了进一步梳理燃气轮机是广泛应用的能源动力设备。燃气轮机的透平冷却对整机的效率、功率和寿命都有直接影响。在燃气轮机的透平冷却中,冲击冷却对动、静叶和护环冷却都有很大贡献。本文以动叶中的冲击冷却结构为研究对象,通过实验和数值方法,开展了复杂冲击冷却单元的传热和阻力特性研究,完成了各类冲击冷却单元和全叶片的一维经验建模,搭建了基于冲击的叶片内部冷却结构优化平台,发展了基于冲击冷却的新型叶片内部冷却结构。动叶中一般涉及的冲击冷却单元包括带气膜的前缘冲击、带防横流和柱肋结构的阵列冲击、通道间倾斜冲击等。本文通过瞬态液晶实验和叁维数值计算方法,研究了这些单元的传热和阻力特性。定性解释了冲击冷却累积横流和射流的交互机制,发现了开尔文-亥姆霍兹不稳定性在射流和横流交界面的作用,揭示了横流导致射流振荡并产生壁面非定常传热的过程。定量分析了气膜抽吸、孔板几何、靶面几何、倾斜孔和旋转等因素对冲击传热和阻力的影响。传统的冲击冷却经验模型无法满足新型结构的设计需求。本文总结实验和数值的研究结果,利用拟合方法提出了前缘冲击冷却的气膜抽吸修正因子,复杂阵列冲击的下游阻力关联式、倾斜孔冲击的传热关联式及其旋转修正因子。同时,结合已有的各类辅助元件和前人发展的一维管网求解器,搭建了全叶片内部冷却管网模型。通过嵌套遗传算法和实验数值验证手段,建立了全叶片内部冷却的优化平台。动叶中如何布置冲击冷却单元是叶片冷却设计的主要问题。经过拓扑分析和参数优化,本文发展了倾斜冲击、双层冷却和串联冲击叁种基于冲击冷却的内部冷却结构。通过瞬态液晶实验和叁维耦合数值方法,分析了各类结构的传热、阻力和流热耦合特性。结果表明倾斜冲击结构具有压损小和传热相当的特点,并具有进一步提升的潜力;双层冷却结构压损和传热过小,不适合于气膜冷却较少的叶片;串联冲击结构具有压损相当和传热增强的特点,具有更优的冷却性能。本文发展的串联冲击结构和传统带肋通道结构相比,可以在相同冷气参数的条件下,提升内部传热25%。
孙润鹏[7]2012年在《导向器叶片冲击冷却结构设计及传热特性研究》文中研究表明提高涡轮入口温度对改善航空发动机推重比和热效率有重要意义，但也给发动机的正常运行带来一系列严重问题。目前入口燃气温度的提高速度远远高于叶片材料耐高温性能的发展速度，在继续发展耐高温材料的同时，必须采取有效的冷却技术和热防护措施来保证涡轮叶片在高温环境下安全可靠的工作。准确预测涡轮叶片的温度场是延长叶片工作寿命、提高冷却效率的关键问题，随着计算流体力学的不断发展，气热耦合方法已经成为航空发动机冷却结构设计的重要工具。本文借助气热耦合方法，重点针对小尺寸高压涡轮导向器叶片进行冲击冷却结构设计，完成气动和传热的叁维耦合分析，为实际涡轮导向器叶片冷却结构设计提供参考。叶轮机械中边界层转捩流动普遍存在，其直接影响叶片壁面附近传热过程，本文首先研究了如何准确预测边界层转捩流动问题，选择Transition k-kl-转捩模型对平板边界层有无压力梯度的跨越转捩实验进行数值计算，并对边界层转捩前后流动状态以及影响转捩流动的边界条件进行研究，计算结果表明：Transition k-kl-转捩模型对有无压力梯度的平板跨越转捩表现良好，压力梯度对边界层转捩流动有较大影响，顺压梯度有助于稳定边界层流动，延缓转捩的发生，而逆压梯度则容易使边界层流动失稳，促使转捩提前发生。本文进一步对NASA-MarkII叶片传热实验进行气热耦合数值计算，研究了各湍流模型的计算特点以及它们对转捩流动的识别能力，分析了叶片表面边界层流动状态对涡轮叶片传热的影响，发现Transition k-kl-转捩模型相比其它全湍流模型，能够更准确预测附面层内的分离转捩状况。由于转捩前期采用层流动能来描述扰动的发展，避免了使用含来流湍流度的经验公式所带来的计算层流误差，引入“分裂机制”来描述层流与湍流脉动间的相互作用，并且在旁路转捩和自然转捩源项模块中加入了Tollmien-Schlichting波的影响，对强激波后的温度计算相比常用的间歇因子转捩模型与实验值更吻合。最后采用变湍流普朗特数方法对Transition k-kl-转捩模型的热涡流扩散系数项进行修正，保证湍流普朗特数从边界层到主流区光滑过渡，使得对流换热系数计算值与实验值更加接近。选用上述转捩模型进行数值计算，得出平板单孔冲击冷却结果，并与叁维单孔冲击冷却分析解以及实验关联式进行对比，同时对模型网格无关性进行计算，验证数值结果的准确性，得到单孔冲击冷却的相应规律，对于理解冲击流动的流场和冲击冷却的机理有很大帮助。再利用已确定的数值计算方法，分析阵列射流不同的几何参数和物理参数对冲击冷却传热和流动的影响，与实验关联式进行对比，得到平板阵列射流的传热规律，为接下来导向器叶片冷却结构设计提供依据。实验研究不能完全仿照航空发动机的实际工作条件，利用数值计算的优势研究涡轮叶片的实际工作状态具有非常重要的工程意义，接下来本文对导向器叶片进行冲击冷却结构设计，首先计算得出未加冷却时导向器叶片的温度场分布，发现叶片最高温度存在于前缘外表面中径处，再根据具体温度分布进行导向器叶片气冷结构设计，完成气动和传热的叁维耦合分析，实现在保持冷却气体流量不变的条件下提高冷却效果，降低材料的性能要求。当导流片孔数和孔径满足关系式(4n-1)D=叶高（mm）时，在导向器叶片叶高方向上能满足冷却要求。以结构简单为原则，选择导流片每列冲击孔轴向距离为X/d=5~7时，能够满足中弦区冷却要求。前缘区域要想满足要求，所设计的冷却结构前缘至少须布置两列冲击孔。冲击间距较小时，冲击间距变化对叶片的内、外表面平均温度影响不大，但随冲击间距的减小，内、外表面最高温度会降低，而最低温度则会升高。单纯从冷却效果看，采用小间距为宜。与开孔排气结构相比，尾缘劈缝排气结构可以有效改善尾缘的冷却效果，且减小了总压损失。本文最后应用热弹耦合方法对温度和冲击载荷作用的导向器叶片进行了应力分析，探讨了网格数量对计算结果的影响。结果发现：总变形量最大值出现在结构强度较低的叶片中弦位置，等效应力最大值出现在叶根和叶尖位置，分析认为是由于轮毂、轮缘给定固定支撑的约束条件，叶体由于热应力产生的形变，均会传递到两个端壁面上产生压缩效应。
吴双应[8]2004年在《对流换热过程的热力学分析及其应用》文中研究指明管内对流换热过程广泛应用于工程上的换热设备中,它是由有限温差下的对流传热和流体的粘性流动等过程组成,从而是一个典型的不可逆过程。本课题首先以工程上常见的管内对流换热的两种典型工况——恒壁温和恒热流为条件,采用数值模拟的方法,对管内层流换热的进口段的不可逆性进行研究。模拟结果表明,两种工况下的不可逆性规律是不同的;更重要的是,对于管内的层流换热,不管哪种工况,存在入口段时的不可逆性完全不同于全部由充分发展段组成的不可逆性,雷诺数对存在入口段的管内层流换热的不可逆性影响很大,同时由粘性流动引起的不可逆性相对于温差传热引起的不可逆性可忽略不计。因此工程上在追求管内对流换热的入口段效应时,应更加注意其不可逆性的变化。另一方面,考虑到目前对管内对流换热及其换热器在能量传递过程中的不可逆性的研究均忽略了在工程上被认为是影响换热设备传热和流动过程的重要因素之一——污垢,而污垢的存在会给换热设备带来一系列的经济损失,从而成为换热设备设计、运行维护的一个重要方面,而定量地分析污垢对传热和流阻性能的影响就显得尤其重要。本课题还利用熵产分析原理,在恒壁温和恒热流两种工况下探讨污垢对管内对流换热过程热力学性能的影响;同时还研究污垢对换热器传热过程不可逆性的影响;提出新的污垢对能量传递过程不可逆性影响的评价指标;探讨有关参数对其不可逆性的影响;并给出换热器冗余面积新的计算式,从而为定量分析污垢对传热和流阻性能的影响提供有效途径。最后作为管内单相对流换热性能热力学分析工程应用的一个重要方面就是强化传热性能的火用经济评价和管道及其保温层厚度的热经济学优化设计。本课题首先对一种新型的自激振荡脉冲射流强化传热技术进行了实验研究,然后对其强化传热性能进行火用经济评价,提出了一项新的强化传热性能评价指标——强化前后单位传热量的总费用比,该指标不仅能反映采用强化传热措施后传热能力的改善和流动阻力的增大,而且能反映出强化传热措施加工制造成本的增加;另一方面,在对保温节能进行热力学第二定律分析的基础上,从热经济学原理出发,提出了从收益的角度对热力管道及其保温层进行同步设计的思想,并在考虑管内对流换热的条件下,得到热力管道及其保温层的年净收益方程及其最佳管径和保温层厚度的计算式;通过数值求解,讨论经济环境对最佳管径和保温层厚度的影响,并把结果与传统设计法进行了比较,其结果可供工程设计参考。相变对流换热现象是工程上常常遇到的极为重要的物理现象,长期以来它吸引着研究者们广泛的关注。根据非平衡热力学理论,实际的相变过程是经历一系 I<WP=6>重庆大学博士学位论文列非平衡态的不可逆过程,它是在两相间化学势差 ?μ 驱动下实现的,在相变中,物质只可能从化学势高的一相向化学势低的一相转化。虽然,目前已有大量文献从传热和流体动力学等方面研究了相变问题,围绕着相变换热的物理机制和汽泡动力学等方面发表了大量有价值的研究论文。然而从非平衡热力学的角度对相变过程进行的分析却少见诸报道。更为重要的是由于缺乏对相变现象的热力学分析,在某些文献中甚至出现了与热力学原理相悖的情况。本课题以水和水蒸气为工质并结合 IFC 公式首先从非平衡热力学的角度对工程上常见的液体定压汽化、蒸汽定压凝结、液体定温降压自蒸发和蒸汽定温加压凝结等相变过程采用化学势-压力(μ-p)图进行描述和分析;然后采用可用能这个重要的功势函数,对汽液相变换热过程的可用能进行分析,并应用可用能分析来研究汽液相变换热过程的机理和相变换热过程中的有关参数等,从而为汽液相变换热过程的热力学研究提供一个重要的方法;并在对汽液相变换热进行可用能分析的基础上,又对相变过程中的唯象系数 L 进行计算,从而为汽液相变换热过程的定量分析和研究提供一个新的途径;然后采用可用能判据来分析汽液相变系统的稳定性,得到了汽液相变系统的相平衡条件、力学稳定性条件和热稳定性条件;并把结果与简单可压缩单相系统的稳定性条件进行了比较;最后以一个被广泛接受和应用的描写汽泡长大过程的微层蒸发模型为例,从非平衡热力学的角度对水的非均质沸腾换热时汽泡内的蒸汽温度的分布进行数值计算,结果表明,要完成微层蒸发模型中的蒸发和凝结两个相变过程,汽泡内部的蒸汽温度并非均匀的,在汽泡垂直方向上存在有极大的温度梯度,而这在实际过程中是很难实现的。上述结论为汽泡动力学行为和沸腾换热机理的研究提供参考。
马超[9]2015年在《涡轮叶片蒸汽/空气冷却特性的实验研究及数值模拟》文中研究指明随着涡轮进口温度的不断提升,对于涡轮叶片冷却技术也提出了更高的要求。然而传统的空气冷却技术需要从燃气轮机的压气机中抽取高压空气用于其热端部件的冷却。随着燃气轮机技术的不断发展,需要的冷却空气会进一步增加,这极大降低了压气机的效率也同时限制了燃气轮机功率的提升。在此背景下,蒸汽冷却技术应运而生,并日益得到重视。本文针对若干种涡轮叶片中常用的冷却结构(包括平行肋、V形肋、倒V形肋扰流冷却结构)分别开展了蒸汽和空气冷却的传热实验研究,并对研究对象建立了叁维数值模型,利用数值结果对比了两种冷却介质冷却下的流动特征及压力损失特性。在所有换热结构下蒸汽和空气冷却具有相近的努赛尔数分布特征,但蒸汽冷却的传热性能明显高于空气冷却。在相同雷诺数下,平行肋扰流结构中蒸汽冷却平均努赛尔数比空气冷却高约13%-24%;在V形肋和倒V形肋扰流结构中,蒸汽冷却比空气冷却平均努赛尔数高19%-28%;在消耗相同质量流量时,蒸汽冷却的优势进一步提升。蒸汽和空气两种冷却介质在同一冷却通道中的流动特征较为相近,造成强化换热的流动机理也基本一致。在相近雷诺数工况下,两种冷却介质的压力损失系数较为相近,而在消耗相同质量流量冷却介质时,蒸汽冷却的压力损失低于空气冷却。这是由于蒸汽的动力粘度较低,蒸汽流所产生的内摩擦损失相对较小造成的。利用燃气轮机动叶叶片搭建了高温风洞环形叶栅实验台,分别测量了蒸汽和空气冷却下叶片外表面的温度场分布,并就两种冷却介质在实际涡轮叶片上的冷却性能开展了对比研究。利用气热耦合数值模拟方法对该叶片建立了数值模型,对比了两种冷却介质冷却的气动及压损特性。此外还研究了涂层对于叶片热防护的效果。结果表明:两种冷却介质冷却下,叶片涂层表面的冷却效率分布特征十分相近,叶片金属表面的冷效分布规律有所差异。在蒸汽冷却时,涂层吸力面、涂层压力面、叶片吸力面和叶片压力面平均冷效分别比空气冷却提高了17.3%、23.9%、21.7%和25.5%。涂层可以起到十分明显的热防护效果,在蒸汽冷却下,涂层起到的热防护效果相比于空气冷却更为显着。相对于空气来说,冷却后的蒸汽进入主流流道,会带来叶栅通道更大的焓降,从而会对整机热效率的提升带来不利影响。
柴磊[10]2012年在《周期性扩缩微通道单相及两相流动传热特性研究》文中认为进入新世纪以来，随着微加工技术的日臻完善，国际传热学界已经开始着手迎接新的挑战，即发展结构更为复杂的第二代微通道传热技术，周期性扩缩微通道便是其中的一种。一方面，截面面积的周期性变化能够中断热边界层，使换热得到强化；另一方面，截面面积的周期性变化可以改变气液两相流型，进而对流动与传热特性产生重要影响。尽管大量有关传统型等截面微通道的研究结果为周期性扩缩微通道的研究提供了很多有价值的参考信息，但是人们尚不清楚传统等截面微通道内流体流动传热特性的研究结果是否适用于周期性扩缩微通道，很多问题需要通过深入研究予以澄清。为此，本文对周期性扩缩微通道内单相及气液两相流动与传热特性进行深入的研究。首先，基于微尺度强化传热机理，设计加工了多种周期性扩缩微通道热沉，并通过实验和数值计算相结合的研究方法，以传统等截面直通道热沉为参照，研究了周期性扩缩微通道内单相液体的摩擦阻力以及强化传热特性。结果显示，微尺度下层流向紊流转变的Re数提前，大约发生在1000-1100的范围内，而且凹穴对提前转变的Re数影响不大。随Re数增加周期性扩缩微通道摩擦阻力系数逐渐大于矩形直通道，且随着流量的增大，二者的差距逐渐拉大。较小Re数下，周期性扩缩微通道热沉的换热效果不如矩形直通道热沉；而在较大Re数条件下，其换热效果远大于等截面矩形直通道，且随Re的增大强化传热效果越好。相同泵功处，对应于Nu数随Re数的变化，周期性扩缩微通道会产生更小的热阻，尤其以扇形凹穴型微通道和扩缩比为3:7的叁角凹穴型微通道为佳。周期性扩缩微通道强化传热机理主要归结于：凹穴处形成的二次流与主流混合促进热交换；热边界层被破坏，提高了等截面段的对流换热系数；截面扩缩变化，增大对流换热面积。其次，利用CFD计算流体力学模拟与分析软件对叁种不同结构的周期性扩缩微通道内单相液体的流动与传热特性进行叁维数值模拟，研究微通道截面形状及尺寸、截面变化周期及幅值和流体速度等一系列参数对流体流动与传热特性的影响。且根据在给定泵功下，微通道热沉总热阻最小这一基本出发点，以强化传热因子(Nu/f~(1/3))/(Nu_0/f_0~(1/3))作为评判标准，得到叁种周期性扩缩微通道热沉优化结构参数范围。同时研究表明，当凹穴间距小到一定程度及小Re数下，流体从凹穴“滑”过去的趋势占主要地位，影响了换热；在大Re数下，凹穴处形成的二次流与主流充分混合，并且等截面段处于较高水平的热进口段，从而强化了换热效果。影响横断扰流微通道内流体流动传热特性的主要因素有：主流分离、回流或者涡流、边界层中断。矩形扰流元一方面可以促进主流冷流体与二次流热流体的有效混合；另一方面，通过撞击冲刷打断热边界层等提高对流换热系数。小Re数下，扰流元可显着提高微通道热沉的强化换热特性。随Re数增大，扰流元的强化换热作用逐步消减。再者，采用以IDT高速摄像仪和Nikon生物显微镜为主体的微流体实验测试系统，实验研究周期性扩缩微通道内氮气/水气液两相流型及压降特性，并分别采用均相及分相模型研究了氮气/水气液两相压降特性。结果显示，由于流通截面的扩缩变化，周期性扩缩微通道氮气/水间歇流子流型跟矩形直通道相比有很大不同。随气液两相表观流速变化，间歇流子流型依次呈现环状/单相液体交替流型、弹状/环状/单相液体交替流型、弹状/单相液体交替流型、雾状/弹状/单相液体交替流型和雾状/单相液体交替流型，得到不同气液两相表观流速下叁种周期性扩缩微通道内流型分布图。均相流模型的计算结果同实验值有较大出入。尽管分相流模型在一定程度上引入了气液两相的相互作用，但是仍无法精确地描述周期性扩缩微通道内氮气/水气液两相的运动与空间分布。最后，采用实验研究和数值模拟相结合的方法，研究了PDMS周期性扩缩单通道内空气/水气液两相流型及其演变特性。观察到的主要流型为间歇流和分离流。对于间歇流，气体以离散形式分布在液相中或者是液体以分散形式分布在气相中，而且气相分散跟液相分散交替存在。对于分离流，气体主要沿气体进口壁侧流动，液体主要沿液体进口壁侧流动。两相中存在明显的分界面，沿流动方向界面产生波动。
参考文献：
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[2]. 玻璃压制成形工艺的数值模拟方法[D]. 孙强. 华中科技大学. 2010
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[4]. 振动强化传热机理分析及新型振动传热元件实验研究[D]. 姜波. 山东大学. 2010
[5]. 空气在不同肋排列叁维内肋管中的热力性能研究[D]. 张亚. 重庆大学. 2003
[6]. 基于冲击的燃气轮机透平叶片冷却结构研究[D]. 杨力. 清华大学. 2015
[7]. 导向器叶片冲击冷却结构设计及传热特性研究[D]. 孙润鹏. 哈尔滨工程大学. 2012
[8]. 对流换热过程的热力学分析及其应用[D]. 吴双应. 重庆大学. 2004
[9]. 涡轮叶片蒸汽/空气冷却特性的实验研究及数值模拟[D]. 马超. 上海交通大学. 2015
[10]. 周期性扩缩微通道单相及两相流动传热特性研究[D]. 柴磊. 北京工业大学. 2012