R141b在矩形微尺度通道中的两相流传热特性

设计搭建水力直径分别为1mm和0.5mm的矩形微尺度通道实验台,研究了以R141b型制冷剂作为工质的两相流沸腾传热特性。实验取热流密度为1～16kW/m2、质量流速为111.1～333.3kg/(m2·s)和质量干度为0～1,分析了三者对平均传热系数的影响,探究影响换热的主导因素。结果表明:热流密度较高时,平均传热系数随热流密度增加而减小,流动换热主要受到沸腾传热的影响;当质量流速较大且热流密度较低时,平均传热系数随热流密度增加而有所增长;热流密度较低时,平均传热系数随质量流速变化明显,热流密度升高到一定值后,质量流速对平均传热系数的影响很小;当质量流速处于111.1～333.3kg/(m2·s)时,平均传热系数随质量干度的增加而减小。      

扁管微小通道内R134a的沸腾换热试验

搭建适用于多种结构微小通道的沸腾换热试验系统，研究了制冷剂R134a在当量直径分别为0.63mm和0.72mm的多孔扁管微小通道内的沸腾换热特性。试验参数包括制冷剂质量流率为82~621kg/(m2·s)，饱和压力为0.22~0.63MPa，干度为0~1；采用等热流密度方式加热,热流密度范围为9.7~64kW/m2。结果表明:R134a在扁管内沸腾换热中，当干度在0~0.6区间时，微小通道的传热系数明显高于常规通道，换热类型主要为核态沸腾，传热系数随热流密度和饱和压力的增大而增大，与质量流率关系不大；当干度大于0.6之后，传热系数随着干度的增大急剧减小，且在此干度区间，传热系数受热流密度和饱和压力影响较小，而受质量流率的影响相对较大。利用该结论和公开文献中R134a沸腾换热试验数据对Gungor-Winterton公式进行改进，改进后的公式对所有试验点的平均相对误差为-1.17%，平均绝对误差为19.24%，预测精度有了明显提高。      

过载环境下水平管内水的流动沸腾特性

利用地面离心旋转台实验研究了不同过载环境下水在1.8 mm内径水平管内流动沸腾的摩擦压降特性.实验工况为过载加速度1.00g～3.16g,质量流速为230、330 kg/(m2.s),热流密度为102、141 kW/m2,干度为0.07～0.58.结果表明:不同过载环境、干度、热流密度和质量流速对水的摩擦压降均有影响....     

锯齿扁管内沸腾换热试验

建立以等热流密度方式进行试验件加热的沸腾换热试验系统,分别对当量直径为1.28mm和1.59mm锯齿扁管内R134a工质的沸腾换热特性进行研究,试验参数范围:制冷剂质量流率为68.5~305.5kg/(m2·s),工作饱和压力为0.27~0.46 MPa,加热热流密度为9~42kW/m2。试验结果表明:相同结构的通道,当量直径小换热能力更强;热流密度和饱和压力对沸腾换热的影响与一个干度值有关。当干度小于此值时,沸腾换热系数会随着热流密度及饱和压力增大而增大;而当干度大于此值时,沸腾换热系数随着干度增大而急剧下降,热流密度和饱和压力对换热的影响较小;该干度值会随着热流密度或饱和压力增大而逐渐变小。质量流率对沸腾换热的影响与热流密度有关,随着热流密度增大,质量流率的影响趋向大干度区域。通过分析各参数对沸腾换热的影响,建立了一个预测试验工况下微小尺寸锯齿扁管的沸腾换热系数计算经验公式。     

微细管道内R141b沸腾气液两相流动与换热特性数值仿真

为探究微尺度管道内沸腾气液两相流动与换热机理,采用基于VOF多相流模型的数值方法研究了制冷剂R141b在水平微细管道内的流动沸腾换热过程,获得了制冷剂R141b在管道内的流型、温度、速度及表面传热系数分布,分析了制冷剂R141b在管道内流动沸腾换热的基本规律和气泡运动特点。研究表明,制冷剂R141b在微细管道内流动沸腾依次出现单相流,泡状流,受限泡状流,弹状流,间歇状流,雾状流等典型流型。制冷剂R141b在微细管道内温度沿轴向逐渐升高,速度沿轴向逐渐增大,表面传热系数沿轴向先增大后减小。由于质量流速的增大使得制冷剂气相和液相的流动速度增加,表面传热系数随之增大:相同热流密度下,计算的大质量流速工况较小质量流速工况的表面传热系数平均增幅为21.4%;热流密度的增大会加快制冷剂液相向气相转变的速度,表面传热系数随之增大:相同质量流速下,计算的大热流密度工况较小热流密度工况的表面传热系数平均增幅为23.9%。     

超（近）临界压力航空煤油RP-3的拟过冷沸腾传热特性

为了研究吸热型碳氢燃料在新型飞行器中的再生冷却性能,采用电加热方式,在热流密度0.1-1.0MW/m2和质量流速500-1000kg/m2s条件下,小通道圆管内（D=1.6mm）研究了超（近）临界压力下（P=3MPa）航空煤油RP-3的拟沸腾流动传热特性。研究发现了超（近）临界压力航空煤油的拟过冷沸腾传热现象。拟过冷沸腾壁温变化特征和传热恶化特征与亚临界压力下的相应特征存在差异。超临界压力航空煤油传热区域划分为类液态强制对流传热区、拟过冷沸腾区和类气态强制对流传热区。拟过冷沸腾壁温和传热系数随流体温度增加而缓慢增加,起到传热强化的作用;拟临界温度区域,存在传热系数极小值点,燃料发生传热弱化;燃料温度大于拟临界温度,燃料处于超临界类气态,传热大幅强化。     

过氧化氢溶液表面沸腾换热研究

运用传热传质理论对过氧化氢溶液受热分解的表面沸腾换热过程进行分析,提出了换热系数的基本关系式.在5%～30%质量分数范围内的实验数据表明:表面换热系数随着热流密度、主体温度及溶液质量分数上升而增大;壁面温差存在极限值,其随着热流密度、质量分数和主体温度的上升而下降.      

管内对流沸腾系中过冷沸腾域真实干度及平均空隙率的解析

发展了一种根据单相紊流速温分布来预测强迫对流沸腾系。特别是过冷域真实干度及空隙率的解析计算方法。该方法采用世古口、江崎提出的模型。采用了Von.Karman的三层速度分布和Martineli的三层温度分布, 导出了真实干度及空隙率的计算公式。对于蒸汽-水系及FreonR113在很广的压力、质量流速、热流密度范围内进行了计算并与有关实验结果进行了系统对比, 在Re=104～106, P_r=1～8具有满意的精度。      

超临界压力下航空煤油圆管流动和传热的数值研究

对超临界压力下大庆RP-3航空煤油在小管道内的流动、传热过程进行了数值研究。湍流模拟采用了RNG k-ε两方程模型和Wolfstein一方程模型结合的两层模型;同时,采用煤油的10组分替代模型以及NIST Super-trapp程序库对大庆3号航空煤油的热物理和输运特性进行了确定。圆管传热的计算条件为:入口压力4 MPa,入口温度300 K,质量流量范围:0.06～0.12 kg/s,壁面热流密度范围:300～700 kW/m2。计算结果显示,煤油的流动和传热特性比水、二氧化碳等简单化合物复杂得多。在超临界压力下,煤油的吸热升温导致其热物理特性以及流动特性均发生剧烈变化,其中,雷诺数沿管道方向上升了至少一个量级,而普朗特数下降了一个量级。在加热开始段,煤油的对流传热系数迅速上升;当壁面温度超过其拟临界温度后,对流传热系数略有所回落;随着煤油温度的进一步上升,传热系数又得到明显增强。计算表明,煤油对流换热特性的变化与煤油复杂的高温热物理特性以及湍流流动在近壁区的增强和抑止有关。     

竖直圆管内超临界碳氢燃料换热恶化的直径效应

利用Fluent对超临界压力下直径对碳氢燃料换热恶化的影响进行数值研究,湍流模化采用Launder-Sharma（LS）低雷诺数模型,物性采用广义对应态法则对RP-3替代燃料计算。计算条件：系统压力为3 MPa,进口温度为573 K,热流密度为500 kW/m²,质量流量为0.001 5和0.003 0 kg/s,直径范围为1~10 mm。正常换热条件下的计算壁温和实验结果基本吻合,证明了计算方法的准确度。结果表明：强制对流下小质量流量时直径越大,换热恶化程度更高且更提前发生,换热恶化是由定压比热容处于极大值后的急剧下降区导致的,大质量流量时直径与壁温成正比,无换热恶化发生;浮升力效应仅在小质量流量下起作用,随着直径增大而加强,给出RP-3流动换热时浮升力起作用的判据和不同直径下换热恶化的边界。     

超临界压力下碳氢燃料在竖直圆管内换热特性

以国产航空煤油RP-3为对象研究了超临界压力下热流密度和进口温度对碳氢燃料在竖直向上管和竖直向下管的换热特性的影响.实验中热流密度变化范围为300~600kW/m2,进口温度变化范围为293~723K,压力及流量分别保持为5MPa以及3g/s.研究表明:在所有实验工况下,实验进口处将首先出现换热恶化现象,之后随着热边界层的充分发展换热逐渐增强;当管内流体状态从超临界压力液态过渡到超临界状态,由于物性的显著变化将导致换热沿管程方向得到显著强化.当进口油温超过其拟临界温度后,由于碳氢燃料吸热能力迅速降低导致管内出现了换热恶化.对于竖直向上流与竖直向下流,即使浮升力判断因子的值小于10-5,浮升力的影响仍然不能忽略.最后,在实验结果基础上,提出了超临界压力碳氢燃料在微细管内流动的强迫对流换热经验关系式.      

Experimental investigation on boiling heat transfer characteristics of Al_2O_3-water nanofluids in swirl microchannels subjected to an acceleration force

Experiments were carried out to investigate the boiling heat transfer characteristics of Al_2O_3-water nanofluids in swirl microchannels under terrestrial gravity and acceleration fields. A centrifuge with a two-meter long rotational arm was used to simulate the acceleration magnitude up to 9 g and three various acceleration directions. Three test sections with different geometric parameters were applied. The volume concentration of Al_2O_3 nanoparticles with an average diameter of 13 nm was varied from 0.07% to 0.1%. The mass flow rate and vapor quality were in ranges of 3–6 kg/h and 0.4–1.0%, respectively. The effects of the mass flow rate, microchannel aspect ratio,vapor quality, nanoparticle volume concentration, and acceleration direction and magnitude were analyzed in a systematic manner. Experimental results showed that the acceleration direction and magnitude had significant influences on the boiling heat transfer. The heat transfer under configuration C was found to be superior to that under configurations A and B. Moreover, the heat transfer coefficient increased with increases of the mass flow rate and the volume concentration and decreased with the aspect ratio.     

多影响因素作用下碳氢燃料跨临界过程换热恶化的数值研究

为深入理解多影响因素作用下碳氢燃料跨临界过程换热恶化的特性，基于开源计算软件OpenFOAM对超临界RP-3的流动换热过程进行数值模拟。采用广义对应状态法则对碳氢燃料替代模型的物性进行计算，湍流模型选用SST(shear stress transport)k-ω湍流模型。与实验数据比较，热流密度为300~400kW/m2内的计算壁温平均误差小于3%。研究分析了换热恶化机理，讨论压力、进口温度、热流密度与质量流量之比对RP-3换热特性的影响。结果表明:拟临界温度附近RP-3热物性的剧烈变化是强制对流下发生换热恶化的主要原因；提高压力、降低热流密度与质量流量之比或减小进口温度是避免流体在拟临界温度附近发生换热恶化的有效措施；提出了换热恶化预测关联式，为主动再生冷却技术提供参考。      

蒸汽流量对蒸汽直接接触冷凝的影响

为研究蒸汽流量对蒸汽直接接触凝结及汽泡表面变化过程的影响,利用高速摄像仪记录一定过冷度、不同蒸汽流量条件时过冷水中蒸汽的凝结过程.实验结果表明:蒸汽流量小于0.36m3/h时,汽泡表面始终较光滑;当蒸汽流量升至0.74m3/h时,汽泡表面上出现波动,汽泡最终逐渐分裂成数个小汽泡;当蒸汽流量大于1.13m3/h时,汽泡表面上的波动非常剧烈,汽泡不稳定性增强,并最终破碎成大量微汽泡.且随蒸汽流量增,这些微汽泡的直径减少,喷射速度增加.蒸汽流量超过1.13m3/h后,汽泡在凝结时,其相对半径迅速减小,半径变化率迅速增加.汽泡表面剧烈的波动会极大的增加汽泡有效换热面积,导致蒸汽与过冷水间的传热和传质过程被极具的加强.      

Numerical investigation on flow and heat transfer characteristics of supercritical RP-3 in inclined pipe

Numerical simulations of flow and heat transfer to supercritical RP-3 through the inclined tubes have been performed using LS k–e model embedded in Fluent. The physical properties of RP-3 were obtained using the generalized corresponding state laws based on the fourcomponent surrogate model. Mass flow rate is 0.3 g/s, system pressure is 3 MPa, inlet temperature is 373 K. Inclination of the inclined pipe varied from -90° to 90°, with heat flux varied from 300 k W/m~2 to 400 kW/m~2. Comparison between the calculated result and the experimental data indicates the range of error reasonable. The results of ±45° show that temperature inhomogeneity in inclined pipe produce the secondary flow in its cross section due to the buoyancy force. Depending on the strength of the temperature inhomogeneity, there will be two different forms of secondary flow and both contribute to the convective heat transfer in the pipe. The secondary flow intensity decreases when the inhomogeneity alleviates and thermal acceleration will play a leading role. It will have a greater impact on the turbulent flow to affect the convective heat transfer in the pipe. When changing the inclination, it affects the magnitude of the buoyant component in flow direction. The angle increases, the buoyancy component decreases. And the peak temperature of wall dominated by the secondary flow will move forward and increase in height.     

Frictional resistance of supercritical pressure RP-3 flowing in a vertically downward tube at constant heat fluxes

Based on the demands of compact heat exchangers and micro cooling channels applied for aviation thermal protection, the flow resistance characteristics of aviation kerosene RP-3 were experimentally studied in a vertically downward circular miniature tube with an inner diameter of 1.86 mm at supercritical pressures and constant heat fluxes. A long and short tube method was used to accurately calculate the frictional pressure drop, and experimental conditions are supercritical pressures of 4 MPa, mass flow rates of 2–4 g/s (i.e., mass fluxes of 736–1472 kg/(m²?s)), heat fluxes of 100–500 kW/m², and inlet temperatures of 373–673 K. Results show that the sharp variations of thermophysical properties, especially density, have significant influences on frictional resistances. Generally, the frictional pressure drop and the friction factor increase with increasing inlet temperatures, and this trend speeds up in the relatively high-temperature region. However, the friction factor has a sudden decline when the fuel outlet temperature exceeds the pseudo-critical temperature. The frictional pressure drop and the friction factor basically remain unchanged with increasing heat flux when the inlet temperature is relatively low, but increase quickly when the inlet temperature is relatively high. Besides, a larger mass flux yields a higher pressure drop but does not necessarily yield a higher friction factor. Finally, an empirical friction factor correlation is proposed and shows better predictive performance than those of previous models.