余徽[1]2001年在《浮力存在下的层流及湍流流动与传热的数值研究》文中指出采用数值方法研究了竖直平面上的传热传质复合自然对流、竖直套管环隙间层流以及竖直平板间湍流的自然强制复合对流传热，考察了热浮力与物质扩散浮力共存时的传热传质以及热浮力存在下层流及湍流的流动和传热。 通过竖直平面上传热传质复合自然对流的数值模拟，显示Nu和Sh数出现最小值处的浮力比B即B_(min)仅是普朗特数与施米特数之比Pr/Sc的函数。当Pr/Sc＜1时，B_(min)＜-1；反之则B_(min)＞-1；Pr/Sc=1时，Nu与Sh相等，R_(min)=-1。由此根据流型的不同对流场进行分区，得到发生流型反转的条件。 套管环隙间自然强制复合层流对流的数值模拟结果表明：助流热浮力时的Nu及壁面摩擦系数大于纯强制对流时且随Gr/Re增大而增大，传热增强，反流热浮力时的Nu及壁面摩擦系数则小于纯强制对流时且随|Gr/Re|增大而减小，传热减弱。水力进口段和热进口段长度亦随|Gr/Re|的增大而增加。浮力较大时壁面附近出现逆向回流，并在Z/Pe-|Gr/Re|坐标图中给出发生逆向回流的区域。 竖直平板间湍流复合对流的场合，助流条件下，当Gr/Re~3≤5×10~(-5)时，发生层流化现象，此时的Nu数较纯强制对流时低且在Gr/Re~3≈2×10~(-5)处出现最小值。Gr/Re~3＜2×10~(-5)时，平均Nu数在Gr一定时随Re的增大而降低；Gr/Re~3＞2×10~(-5)时，平均Nu数随Re的增大而增大。反流时的Nu数较助流时高，壁面摩擦系数则较助流时小。反流时的热进口段长度较助流时短。
张宁[2]2004年在《混合对流绕方柱涡旋脱落及对传热影响的数值研究》文中进行了进一步梳理非定常绕方柱混合对流研究,是一个涉及到绕尖缘矩形截面钝物体流动分离和传热两方面相结合的课题,在电子元器件的冷却、燃烧技术及其优化、建筑结构抗振设计等工程领域有着广泛的应用。因此,在过去的几十年里,该问题引起了众多的应用数学家、流体动力学家和传热学研究人员的极大关注。本文在对国内外关于绕矩形截面柱体流动分离和传热研究现状及发展进行综述的基础上,系统地论述了作者采用原始变量时间推进法对非定常绕方柱流动与传热的研究成果。首先,本文在SIMPLE算法系列处理速度与压力耦合问题的思路和均匀网格下改进的关于流函数涡量方程的数值求解方法的基础上,将非定常原始变量Navier-Stokes方程的求解推广至非等距交错网格剖分,形成了具有本文特色的原始变量时间推进方法,其中对流项和扩散项中各变量的各阶导数均采用二阶精度公式,包括温度在内的离散方程组采用ADI迭代方法求解。原始变量时间推进法采用外节点法布置计算区域的网格节点,固体壁面上节点的压力和壁面外垂直壁面的速度分量采用动量方程在固体壁面简化形式的边界条件进行特别处理,对更为特殊的节点,即数学上存在间断点的地方如本文中方柱四个角点处的压力则采用了交替方向扫描平均法进行处理。应用原始变量时间推进法对方腔顶盖驱动流、封闭空腔内自然对流等流动与传热经典问题进行了数值模拟,通过本文计算结果与基准解的对比,验证了该算法对内流场流动与传热问题的有效性。其中根据计算结果,本文在前人工作的基础上总结出了封闭腔内层流自然对流换热的变化规律,比较准确地提出了导热占主导地位的层流流动和导热与对流共同作用的层流流动的分界点为瑞利数Ra=5×104。其次,本文采用原始变量时间推进法,研究了低雷诺数条件下冷态场二维方柱绕流问题,讨论了出口条件对减小有效计算区域的作用规律,并分别研究了进口距离Xu、出口距离Xd、阻塞参数B、侧边界条件和出口条件等因素对绕方柱非定常流动的斯特鲁哈尔数St和阻力系数CD的影响,给出了各种人工侧边界条件下可以忽略侧边界影响的阻塞参数范围以及对不同人工侧边界条件进行比较的结果,在此基础上提出了一套适用于本文原始变量时间推进算法研究绕方柱流动与传热问题的优化计算域参数和人工边界条件。在此基础上,本文对绕方柱定常流动和非定常流动进行了详细的数值模拟,首先,根据计算结果总结出了方柱绕流定常流动过渡到非定常流动的临<WP=4>界雷诺数Rec的范围为50至55之间;其次,本文成功地模拟了雷诺数Re=100方柱绕流非定常涡旋形成与脱落的完整过程,得到了严格的Kármán涡街,从而验证了该算法对冷态场非定常绕钝体流动问题(即冷态外流场问题)的有效性。最后,本文在冷态场方柱绕流数值计算的基础上,引入能量方程并考虑热对方柱尾迹的影响,研究了低雷诺数Re层流绕方柱强迫对流和混合对流问题。根据本文划分方柱绕流定常流动和非定常流动的临界雷诺数Re区间(50<Re<55),分别讨论了绕方柱定常(Re<50)和非定常(55<Re<100)强迫对流中雷诺数Re变)化对传热的影响,并验证了该算法对非定常绕钝体外流场流动与传热问题的有效性。本文还详细地探讨了浮力与来流成不同方向的叁种混合对流形式:逆流流动、交叉流动和顺流流动,研究了各种流动工况中在雷诺数Re和格拉斯霍夫数Gr双重作用下,方柱尾迹涡型转变的规律及其对传热的影响,为利用这些参数来控制绕流流动及强化传热作用提供参考。其中对逆流流动的研究中,本文首次提出了雷诺数Re≤200范围内导致方柱尾涡流型由周期性涡旋脱落向一对对称的附体涡转变的临界格拉斯霍夫数Grc与雷诺数Re之间的函数关联式。
王鹏[3]2015年在《纳米流体强化内燃机活塞冷却油腔传热的基础研究》文中指出随着发动机强化程度的不断提高,活塞承受的热负荷急剧增加。单纯增大或改进活塞振荡冷却油腔的结构,已经不能满足一些工况下的散热需求,因此需要选择一种换热性能更好的冷却工质。纳米流体具有十分优异的传热特性,如果能够将其作为振荡冷却油腔的工作介质,则可以有效降低活塞的整体温度。然而在流动切向往复振荡作用下,冷却油腔内部的机油和空气形成的气液两相混合物,与壁面冲击传热的过程十分复杂。涉及到气液两相流体的撞击、分离、再附着等振荡混合过程,其机理还没有完全搞清楚。现阶段还没有一套较为完整的理论,对这种状态下气液两相流的流动与传热过程进行准确地描述。当采用纳米流体作为活塞冷却油腔的换热介质后,此时的气液两相流(空气和机油)变成了固气液叁相流(纳米颗粒、空气、机油),流动与换热过程更加复杂,从而限制了纳米流体在活塞冷却油腔中的应用。为此,有必要对纳米流体常规条件下的流动与传热特性进行深入探索,通过基础研究来揭示纳米流体强化传热的物理机制,完善纳米流体的数学物理模型。在此基础上,进一步考察冲击射流和往复振荡条件下,纳米流体的流动与传热特性,最后再将其应用于活塞振荡冷却油腔的散热过程。本文采用实验与数值模拟相结合的手段对纳米流体进行研究,从微流动的角度解释了纳米流体强化换热的物理机制,解决了纳米流体强化活塞冷却油腔传热的基础问题,丰富了往复振荡条件下气液两相流以及固气液叁相流强化传热的理论体系,具有较为重要的理论研究意义和工程实际应用价值。具体的研究工作如下：1.从固液两相的动量守恒方程出发,推导了适用于纳米颗粒的虚拟粘度模型。该模型精度明显好于基于高浓度、大尺度粒子流的经验公式和基于分子运动论的推导公式,可以为纳米流体的Eulerian模型提供参考；2.通过比较不同模型,考察了纳米流体的湍流流动特性。结果表明：除了物性参数的改变外,相间的速度滑移所引起的脉动速度、雷诺应力和小尺度涡量的增加,以及纳米颗粒的迁移效应所引起的物性参数随空间的非均匀性分布,也是纳米流体强化传热的重要因素；3.考察了不同喷射距离条件下,纳米流体的射流冲击换热特性。探讨了不同湍流模型、壁面函数和多相流模型的预测能力,分析了纳米颗粒加入后对基础流场的影响；4.建立了与流动方向垂直的往复振荡作用下,气液两相流(空气+基础流体)和固气液叁相流(纳米颗粒+空气+基础流体)在活塞冷却油腔内部与壁面传热的数理模型。发现壁面剪切应力、流体平均速度和纳米颗粒浓度共同决定了振荡过程的换热效果。并定量提出了往复振荡条件下,强化换热的判定准则；5.将纳米流体应用于实际内燃机活塞的散热过程,研究了不同种类、不同浓度纳米流体在冷却油腔内部的瞬时流动和换热特性。采用纳米流体作为活塞冷却油腔的换热介质后,可以有效降低活塞的整体热负荷。以体积分数为1%和2%的铜-机油纳米流体为例,相对于传统机油,一个振荡周期内的平均对流换热系数分别提高了24.93%和35.79%。
高军[4]2007年在《建筑空间热分层理论及应用研究》文中研究表明热分层对于降低建筑能耗、改善室内空气品质和提高热舒适度具有重要意义,是同步实现建筑有效用能和有效改善人工环境的关键因素,因而成为建筑环境与能源领域的研究热点之一。建筑空间热分层效应是空气运动过程中一种难以把握的复杂现象,如何有效地利用热分层尚缺乏可靠的数学仿真模型,还需要解决诸多的理论问题。在数学模型研究方面,本课题从热分层的基本理论研究入手,首先,揭示了热分层作用下的湍流运动规律,改良了常规的高Re数湍流涡黏模式;其次,研究了热分层与室内负荷/能耗的关联性,从分布参数角度提出了一个预测热分层建筑室内负荷的简化数学模型—区域模型,最后针对气流湍流状况与热分层空间HVAC负荷的高度关联性、两者数学模型的良好互补性,进而提出了将湍流与区域模型耦合的数学仿真新方法。本课题首先指出了室内热分层湍流区别于常规各向同性湍流的特殊性与复杂性,着重研究了常规的充分湍流的EVM/EDM(Eddy viscosity model/Eddy diffusivity model)模型的不足,分别探讨了Reynolds应力和湍流热通量、湍流黏性系数及湍流Prandtl数的热分层修正方法,总结出了热浮力和剪切应力耦合作用下的热分层湍流机理,还简要讨论了室内不稳定热分层作用下的湍流现象。基于RNG(Renormalization group)湍流模式理论架构的严密性,本文从其对热分层的适应性入手,对其进行了必要改良,最后在RNG良好的理论框架内构建了一个改进模型—RNG k-ε-A模型。同时,对近壁区无因次速度、湍流参数分布计算方法进行了热分层适应性改良,提出了一个复合壁面函数。新湍流模型结合新壁面函数具有较高的可靠度和理想的经济性,能满足建筑热分层环境的准确的数值仿真和评价。基于目前“单点”热平衡的集总参数法掩盖热分层对建筑负荷/能耗影响的现实状况,本课题又从适度分布参数目标出发,提出并完善了一种基于室内热分层的分区热、质平衡模型—热分层区域模型,明确了其中空气层温差换热系数的物理意义,给出了其与空气层湍流水平相关的新定义,解决了热分层条件下的室内负荷计算和能耗预测的问题。单一的湍流模型或区域模型计算应用缺乏完备的参数条件,因而不能有效地进行室内环境评价与建筑能量模拟,而CFD/NHT(Computational fluiddynamics/Numerical heat transfer)与区域模型之间恰好在计算条件上具有良好的互补性和高度的依赖性。基于此,本课题提出了将两个尺度数学模型耦合起来应用的新方法,研究了耦合模拟的数据传递、耦合方案等问题,为热分层建筑的环境与能量的有效预测、评价提供手段。以上述的数学模型研究为基本框架,本课题进行了广泛的模型验证工作,并采用所建数学模型对建筑空间的热分层效应进行了应用研究。在模型验证方面,本课题采用盐水模型和空气足尺实验对典型室内热分层现象进行了实验研究,获得了室内热分层规律的相关数据,有效验证了热分层的湍流数学模型。本课题还广泛应用文献中的热分层LES(Large eddy simulation)和实验数据对新建湍流模型进行了深入考核和验证。对区域模型的验证则采用了实验数据和CFD仿真结果相结合的办法,对其中的两个关键参数(空气层温差换热系数和表面对流换热系数)给出了准确的数值解析方法,有利地克服了区域模型的经验性。在应用研究方面,本课题首先采用新湍流模型对热分层的内波效应、污染物扩散效应及室内负荷折减效应进行了应用研究:建立了室内热分层物理稳定性的简化热力学判据,确定了内波的理论计算公式,并采用数值手段捕捉到了稳定热分层内波频率与横流产生的低频波;研究了室内热分层对污染物扩散影响;对空调的室内负荷折减系数进行了定义,通过数值手段计算了地板送风系统的室内负荷折减系数。上述应用研究为解决热分层湍流数值仿真的困难、深入认识热分层空间室内空气品质和挖掘热分层的节能效率提供了理论依据。另外,本课题采用区-场耦合模拟手段对高大空间分层空调环境进行了应用研究,分析了上部通风对空调区热环境及负荷的影响,并给出了高大空间上下热量迁移与空调区负荷的计算方法。本课题的研究内容包括热分层湍流的理论研究、湍流数学模型的改良与验证、热分层区域模型的建立与验证、区-场耦合模拟的基本理论与方法以及针对建筑空间热分层的应用研究,采用了理论、数值和实验相结合的研究方法。课题研究的突出意义在于建立起了室内热分层湍流规律与建筑能量、室内环境的内在关联性,提供了现代建筑环境与能量预测、评价的理论框架。
麻剑锋[5]2007年在《旋转曲线管道内湍流流动结构和传热特性研究》文中研究指明本文工作是国家自然科学基金《旋转曲线管道内流动结构与传热特性研究》(No．10272096)研究内容的一部分。旋转曲线管道广泛存在于工程应用中，在各种旋转机械的流体输运系统，控制管路系统以及管路冷却系统中，流体的流动和对流传热特性是影响机械性能的重要因素。在工程实际中，绝大多数流动都处于湍流状态。在湍流运动状态下，曲线管道系统中的流动和对流传热特性是研究较少，但又是迫切需要解决的课题：同时，因为血管的血液流动是一个典型的曲线管道内流动问题，因此该课题的深入研究还有助于生物流体力学的进展。由此可以看出，本课题具有重要理论意义和广阔的应用前景。本文在总结和分析了近一百多年来有关曲线管道流动和对流传热特性研究成果的基础上，推导出螺旋曲线坐标系下，以多参数旋转螺旋管道为基础的雷诺平均N-S方程，κ-ε湍流模型方程以及能量方程。并采用数值方法研究处于静止和旋转状态下，不同参数和截面形状的螺旋管道内湍流流动和对流传热特性。详细分析了充分发展的和发展段的湍流管道内，不同截面形状和几何参数对轴向速度分布，截面二次流结构，湍动能，曲线管道摩擦比，温度分布和曲线管道Nusselt系数比等管道流动和传热特性的影响。本文的贡献和创新主要表现在：推导并数值求解了旋转曲线坐标系下螺旋管道内的湍流雷诺平均N-S方程和κ-ε两方程湍流模型方程，分析了各个参数对于湍流流动和传热特性的影响。主要研究结果有：(1)螺旋管道内湍流流动时轴向速度分布比较层流要显得平坦，轴向速度最大值要小于层流时的轴向速度最大值。(2)静止圆截面螺旋管道内湍流的管道截面上，存在两个旋转方向相反的二次涡，上方顺时针旋转的二次涡被压缩在一个很小的范围之内，比层流状态下的要小很多。在方截面弯管的湍流流动中，当宽高比小于某个值时，流动会出现不稳定现象，此时截面外弯侧会出现一对额外的二次涡。与层流相比，截面上并没有发现多于四个二次涡的情形，当宽高比进一步减小的时候，流动又趋于稳定状态。(3)在本文所考虑的旋转数范围内([-2，1])，轴向速度最大值随着旋转数的增大先逐渐增大，在-0.25附近达到最大值，然后又逐渐减小。二次流、无量纲温度、摩擦系数以及Nusselt数都先逐渐减小，在-1附近达到最小值，然后又不断增大。(4)旋转螺旋管道内湍流流动的管道摩擦系数和Nusselt数要明显大于层流时的数值，在管道入口发展段，管道摩擦系数和Nusselt数沿着轴向的变化，出现了比较明显的振荡。这两个系数在旋转数为-1时达到最小值，但是在数值上都大于相同条件下直管道的摩擦系数和Nusselt数。(5)旋转螺旋管道内的入口湍流强度对流动和温度场结构、湍动能、摩擦系数以及Nusselt数的影响都局限在距离入口端不超过30倍管道直径的有限长度内。在入口湍流强度的影响范围内，入口湍流强度越大，湍动能、摩擦系数以及Nusselt数越大。
耿文广[6]2009年在《考虑交叉耦合扩散效应时多物理场自然对流传热传质研究》文中提出研究室内复杂物理场中的热量及物质扩散引起的复合自然对流问题有助于了解室内温度、湿度以及气体污染物浓度的分布特性,对进一步改善室内空气品质至关重要。多物理场中的复合自然对流涉及到环境、机械、化工、海洋和气象等诸多领域,其流体动力学特性和传热传质规律一直是人们研究的重点。本文以室内空气品质为研究背景,采用理论分析、数值模拟和实验研究相结合的方法,考察了室内温度、湿度(水蒸气浓度)和气体污染物浓度的分布特征,探讨了多物理场中自然对流传热传质的基本规律。在热质耦合传递的多物理场中,热力学流与热力学力之间是交叉影响的,即温度梯度的存在对传质具有一定的影响,称之为热附加扩散效应,同时浓度梯度对传热也有影响,即扩散附加热效应。本文以不可逆过程热力学为理论依据,考虑交叉耦合扩散效应的影响,研究在一个封闭系统中同时具有温度梯度、污染物浓度梯度和水蒸气浓度梯度的对流扩散问题,建立了叁个梯度共存时层流和湍流自然对流传热传质的数学模型,为了便于更深层次地研究多物理场中的传热传质规律,分析过程中将数学模型进行无量纲化,整理得到影响多物理场中流动和传热传质的无量纲控制参数,通过大量的数值分析探讨了无量纲控制参数对传热传质的影响特性。数值研究结果表明,与单纯的热浮升力自然对流不同,多物理场中传热传质复合自然对流的强弱由热瑞利数Ra和综合浮力比数N共同决定。随着Ra数的增加,流动和传热传质均得到明显的增强。浮力比数的变化可能会增强流动也可能会削弱流动甚至使流动方向发生变化,取决于浓度梯度与温度梯度方向的关系。在本文边界条件下,当综合浮力比数N=1时浓度浮升力与热浮升力的作用正好抵消,系统内没有宏观流动;刘易斯数对传质的影响较为显着,随着刘易斯数的增加,其对应组分的传质速率明显增大;多物理场中交叉耦合扩散效应对传热和传质也有一定的影响,本文针对复合自然对流中交叉耦合扩散效应的影响,提出了修正的传热努谢尔特数和传质舍伍德数的表达式。当温度梯度的方向和浓度梯度的方向相反时,若交叉扩散效应准则数取正值,则传热和传质是相互削弱的,反之,则传热和传质是相互加强的。交叉扩散效应准则数的数值大小与组分的活度有关,需通过实验研究确定。本文在理论分析和数值模拟的基础上,以浓度为1.8%异丁烷作为气体污染物的替代气体进行了交叉耦合扩散效应的实验研究。左右两个密闭容器内充满异丁烷并以微细管道连通,以冷热水浴分别保持两个容器恒定的温度,温度差的存在引起热附加扩散效应促使异丁烷溶质迁移,稳定后测得高温密闭容器内的异丁烷浓度低于低温密闭容器中的异丁烷浓度,该实验表明传质舍伍德数不仅与浓度梯度有关,还受到温度梯度的影响,即热附加扩散效应对传质有一定影响。在此基础上进一步搭建了多组分对流扩散实验台,选用0.5%的丙烷作为污染物的替代气体,在实验测试小室水平方向施加温度梯度、丙烷浓度梯度和水蒸气浓度梯度,测得小室内的温度、湿度和气体污染物浓度的分布,获得了多物理场自然对流传热传质规律,与数值模拟结果比较发现二者吻合较好。多物理场中的传热传质影响因素众多,规律较为复杂,传热与传质相互影响且存在强烈的非线性耦合作用,本文重点研究了各个因素的影响特性,得到了多物理场中各控制参数对传热传质的影响规律,为研究多物理场中的热质传递奠定了理论基础。
陈玮玮[7]2016年在《管内超临界流动传热特性及应用研究》文中研究表明超临界流体是一种介于气体和液体之间的特殊状态的流体,它兼有气体和液体的双重性质和优点,在动力工程、核电、低温超导、暖通空调及航空航天等领域有着广泛的应用。超临界流体一个重要的特征就是热物性参数随温度变化剧烈,尤其在临界以及拟临界区域,这使得其传热特性呈现出与传统强制对流不一样的特点。本文首先以超临界二氧化碳为研究对象,通过数值模拟获得其在层流以及湍流状态下的流动与传热特性,在此基础上对现有超临界传热计算方法进行总结、分析和评价,然后根据超临界传热的修正准则以及最小二乘法提出全新的传热关联式,最后根据本文提出的传热计算方法,实现超临界碳氢燃料在高超声速飞行器综合热管理系统设计中的应用,全文的主要工作和研究成果如下:(1)建立二维柱坐标下超临界层流传热的控制方程,编写方程的计算程序并通过实验数据对计算结果加以验证,然后通过计算程序获取了超临界压力下管内层流的速度分布、温度分布以及传热分布的特性与规律,探讨了不同入口压力、管道内径、质量流速、热流密度、入口温度以及流动方向对超临界压力下管内层流传热分布的影响。(2)建立叁维笛卡尔坐标下超临界湍流传热的控制方程,采用SST k-ω湍流模型,利用CFD软件对控制方程进行求解并验证了结果的可靠性,然后通过该方法获取了超临界压力下管内湍流的速度分布、湍动能分布、温度分布以及传热分布的特性与规律,探讨了不同入口压力、管道内径、质量流速、热流密度以及流动方向对超临界湍流传热分布的影响。(3)对现有的超临界传热关联式进行广泛地搜集和整理,总结了现有传热关联式在形式上的规律,建立了可用于传热关联式评价的宽范围实验数据库,然后根据不同的划分准则对实验数据进行分类,最终通过将传热关联式与实验数据库进行对比,得出了传热关联式对数据库的适应性分析结论,为现有传热关联式的选用和新传热关联式的建模提供了依据。(4)总结了超临界传热关联式建模的修正准则,根据建模修正准则并结合现有传热关联式的适应性分析结论,确定了传热关联式建模的待定形式,利用最小二乘法以及MATLAB编程实现各种无量纲数的排列组合与超临界水和超临界RP-3实验数据库的迭代寻优,得出了全新的形式简单,适用范围广以及预测精度高的超临界水和超临界RP-3传热关联式。(5)探讨了适合于高超声速飞行器综合热管理系统的方案,根据本文提出的超临界传热计算方法,利用MATLAB/SIMULINK平台的图形化交互界面创建并封装了适用于高超声速飞行器综合热管理系统的主要功能模块集,完成了以超临界碳氢燃料为主要热沉的综合热管理系统的设计过程,分析了不同设计参数对热管理系统设计结果的影响。
赵健[8]2013年在《高寒地区原油储存过程中的传热问题研究及工艺方案优化》文中研究表明近年来，随我国石油战略储备工程进展，多数大中型油库也相继完成了增储工程，总储油量随之增大。由于我国部分油田所产为叁高原油，低温流动性差，加之客观的地理环境条件，导致高寒地区易凝高粘原油的安全存储问题越来越引起重视。总的来说，原油在储罐内可以有叁种不同的存在状态：静态储存、加热及收发油的周转过程。针对不同运行状态，对原油流动及传热特性研究，对于制定合理的工艺方案、辅助工程决策、丰富工程传热问题的研究成果都具有重要意义。目前，该问题的研究主要集中在原油静态储存的温度场测试上，虽然给出了直接的运行数据，但对于传热机理、瞬态自然对流与温度场的耦合无法提供足够的信息。而对于加热和收发油状态，目前尚没有针对性的研究。鉴于此，本文采用数值模拟和现场测试相结合的方法，对高寒地区，浮顶罐储存原油在静态储存、加热及收发油过程中的流动及传热特性开展研究，在保证油品安全存储的前提下，优化原油储库的工艺方案，具体包括以下研究内容：首先，采用现场测试和室内实验相结合的方法对大型浮顶储罐表面温度及散热损失进行测试，测试对象包括不同容量储罐罐顶和罐壁的不同位置，所得到的结论包括罐体表面温度分布信息，不同部位的散热损失，罐顶浮舱及罐壁保温结构等难以通过理论计算确定的结构导热系数，基于测试结果对罐体保温效果进行了评价。其次，将浮顶罐内原油的储存状态分为静态储存、加热及收发油的周转状态，分别开展不同状态下原油流动及传热特性研究。对于静态存储问题，将原油温降过程看做是具有复杂热边界条件的圆柱形空间内高Pr数流体的非稳态自然对流冷却问题，建立了二维轴对称计算模型及相应的数值求解方法。通过对不同工况的计算分析，确定温降过程中，对应自然对流的产生、发展、衰退及消失，原油依次经历了局部温降、整体温降、温度分层和导热为主的温降阶段，对每一阶段原油的流动及传热特性进行了细致的剖析，同时也对温降过程中低温导致的凝油产生及发展变化过程进行了相应的描述。在此基础上，回归了浮顶罐不同边界的自然对流换热关联式，改进了基于热平衡原理的原油温降预测方法，明确了储罐直径、液位和保温结构等不同因素对原油温降的影响规律，探讨了储罐的节能储油工况。对于原油的加热问题，根据传热机理不同，以管式加热和热油循环作为两种典型的加热方式进行研究。针对管式加热，建立了单加热管、竖排及横排管束的数值计算模型，得到单加热管自然对流换热的两组实验关联式，更适用于对原油储罐管式加热方式下的热力计算分析。对于竖排管束，中心距较小时，换热恶化，随中心距增大，管束平均Nu数增加，最大可高出单管15%以上，出现换热强化和最大换热强度的临界中心距随Ra增大而减小。此外，研究结果表明竖排管束中底管羽流温度场是导致上层管Nu数随时间波动变化的主要原因。相比而言，横排管束换热更为稳定，仅中间管略有强化，但应避免中心距在2D以下，否则换热强度将显着下降。针对热油循环加热过程的研究表明该加热方式具有热浮力射流特性。稳定加热时，油温轴向分层分布；非稳定加热时，换热更强烈，油温混合效果更好，且热油循环的Fr数越大，液位越低，加热效果越好。将Fr数和相对淹没深度作为影响因素，回归出了表层最高温度点的计算模型，作为对热油循环加热方式调节的依据。进一步对两种加热方式的优缺点进行了对比分析，认为热油循环方式更适用于矿场原油库等中转油库，而管式加热方式更适于战略储备库等中转系数较小的油库。对收发油过程中原油储罐的传热及流动特性进行了现场测试及数值计算分析，结果表明，当进油温度高于罐内油温时，原油温度及速度场分布具有热浮力射流特性，进油热量可以被有效利用，而发油温度可以近似代表相同高度处的罐内油温。不同进油参数下的计算结果指出，大排量、低温差的进油方式更有利于进油热量被充分利用。最后，在以上研究的基础上，以储运系统总运行费用最小为目标，原油库的罐组运行模式、维温方案、罐体保温方案等为决策变量，建立了储运系统工艺方案优化的数学模型，制定了储运系统优化运行的基本准则。
马佳[9]2018年在《有翅片侧加热腔内的流动和传热》文中研究表明由于有翅片侧加热腔具有设计简单且可有效控制传热的特点,因而已被广泛地应用到工业生产实践中的多个方面,例如各类换热器、太阳能采集器甚至建筑节能设计等。因此,有翅片侧加热腔内自然对流研究已成为流体力学和传热学等相关领域所共同关注的课题之一,也是国内外学术界的一个研究热点。文献调研显示,国内外学者在有翅片侧加热腔内自然对流的数值模拟和实验研究方面已取得了丰硕的研究成果,但对相应的动力和传热控制的机理性研究依然匮乏,这也因而成为本文的主要研究目标。基于有翅片侧加热腔内自然对流的流动机制这一研究目标,本文采用尺度分析和数值模拟等方法分别研究了等温和等热通量侧加热驱动的腔内自然对流,分析了入侵流和羽流的可能流动机制,讨论了每组流动机制所包含的不同动力和传热控制,以期获得相应的尺度关系式并给出数值验证。研究结果显示,有翅片侧加热腔内自然对流的流动机制、动力和传热控制以及尺度关系式依赖于时间、瑞利数、普朗特数和翅片位置等参量(或部分参量)。此外,通过分析大量的数值结果,得到了流态间演化的临界瑞利数,并给出了侧加热腔内传热传质的定量刻画。本文的重要研究进展包括:(1)发现并证明了等热通量加热条件下羽流动力控制转换存在流量时间增长的临界指数(=2),分析给出了羽流可能存在的新的流动机制,获得了不同动力传热控制下入侵流和羽流的尺度关系式并得到了相应的数值校验。(2)发现了等温加热条件下入侵流及羽流流动机制依赖于翅片位置,观察到入侵流的新的动力控制子区,获得了不同动力传热控制下入侵流及羽流依赖时间、翅片位置、瑞利数和普朗特数的尺度关系式并给出了数值验证。(3)经大量数值模拟结果分析,获得了翅片绕流由定常向非定常演化的临界瑞利数及与普朗特数的依赖;通过比对等温和等热通量侧加热腔内流动,给出了腔内流动的传热和传质对瑞利数和普朗特数的定量依赖。(4)基于数值模拟结果分析,得到了翅片绕流流动的传热和传质对翅片位置的定量依赖,给出了可强化腔内传热传质的翅片优化位置。本文研究所获得的成果除可补充流体力学和传热学有关入侵流和羽流在动力和传热方面的认知不足外,也可应用于具体的工业设计中。然而,在应用前,合适的实际校验以及公式适用条件的理解是实现设计可靠性及精度的保障。
李栋[10]2016年在《气固两相湍流边界层直接数值模拟研究》文中研究指明气固两相边界层流动广泛存在于自然界、工业以及环境领域中,如沙尘暴、污染物扩散、煤粉燃烧、流化床以及气力输送等。由于湍流本身的复杂性以及气固两相湍流边界层中速度场、温度场和颗粒浓度场之间多场多尺度的复杂强非线性耦合作用,人们对与能源动力工程领域密切相关的气固两相湍流边界层的系统性研究至今仍是一片空白。因此,开展气固两相边界层流动和传热的研究,不仅具有重要的工程应用背景,而且是当前国际多相流领域的研究热点和难点问题,具有重要的学术创新意义。基于本课题组自主开发的高精度算法以及高性能并行计算平台,本文首次采用欧拉-拉格朗日点源方法对空间发展的气固两相平板边界层从层流经过转捩最终达到充分发展湍流的整个过程开展了直接数值模拟研究。模拟结果表明,颗粒的存在提高了流场的平均速度,从而导致边界层积分参数减小以及壁面摩擦阻力增大。此外,颗粒的存在显着延迟了边界层转捩的发生。在近壁面颗粒增强了流体的流向脉动速度,在远离壁面的区域颗粒反而削弱了流体的流向脉动速度。随着颗粒尺寸和浓度的增加,流体的雷诺应力以及法向和展向上的脉动速度逐渐减弱。在气固两相边界层中,除了流场的粘性耗散外,颗粒与流体间的相互作用也会损失一部分能量,即颗粒耗散。颗粒耗散在湍流调制中起着非常重要的作用。本文采用真实的随时空发展的湍流入口对中高雷诺数气固两相湍流热边界层开展了直接数值模拟研究。模拟结果表明,颗粒的存在增大了近壁流体的平均速度和温度梯度,从而导致壁面摩擦阻力提高以及流体与壁面间的对流换热增强。惯性颗粒抑制了近壁流体的喷射和清扫运动,从而导致雷诺剪切应力和法向热流密度减小,进而削弱了流场湍动能以及温度脉动的产生.边界层中加入颗粒后,涡结构的拟序性明显减弱,但速度和温度条纹结构的拟序性却显着增强,同时条纹间距变宽。此外,研究发现颗粒壁面浓度沿流向的分布与流体壁面摩擦阻力系数沿流向的变化存在着相似性。随着湍流向下游发展,颗粒壁面浓度逐渐减小,湍流涡结构的拟序性逐渐减弱。可以推测,在平板无限远处,边界层中将不存在湍流拟序结构,颗粒也不再具有优先富集特性,而是随流体一起运动。本文的模拟揭示了速度场、温度标量场和颗粒浓度场之间的内在相互耦合作用机理,可为减阻、强化边界层传热和节能减排等工程实际问题提供理论指导,为复杂湍流模型的构建、发展和改进提供理论支撑和基础数据库,并推动多相流理论的进一步发展。
参考文献：
[1]. 浮力存在下的层流及湍流流动与传热的数值研究[D]. 余徽. 四川大学. 2001
[2]. 混合对流绕方柱涡旋脱落及对传热影响的数值研究[D]. 张宁. 华中科技大学. 2004
[3]. 纳米流体强化内燃机活塞冷却油腔传热的基础研究[D]. 王鹏. 大连理工大学. 2015
[4]. 建筑空间热分层理论及应用研究[D]. 高军. 哈尔滨工业大学. 2007
[5]. 旋转曲线管道内湍流流动结构和传热特性研究[D]. 麻剑锋. 浙江大学. 2007
[6]. 考虑交叉耦合扩散效应时多物理场自然对流传热传质研究[D]. 耿文广. 山东大学. 2009
[7]. 管内超临界流动传热特性及应用研究[D]. 陈玮玮. 南京航空航天大学. 2016
[8]. 高寒地区原油储存过程中的传热问题研究及工艺方案优化[D]. 赵健. 东北石油大学. 2013
[9]. 有翅片侧加热腔内的流动和传热[D]. 马佳. 北京交通大学. 2018
[10]. 气固两相湍流边界层直接数值模拟研究[D]. 李栋. 浙江大学. 2016