矩形横截面螺旋管湍流流动与传热特性的数值研究

 采用了剪切应力输运(SST)k-ω两方程湍流模型并考虑近壁低雷诺数的修正对矩形横截面螺旋管内冷却水流动和传热特性进行了数值研究。数值分析了在不同入口雷诺数、曲率半径以及扭距条件下,螺旋管内的温度、速度场以及流线的变化,讨论了螺旋管内、外壁面对流传热系数的差异及产生机理,同时与直通管道传热性能进行了比较。研究发现由于离心力的作用,螺旋管内存在显著的二次流动,管内、外侧壁面对流传热存在差异。旋转一周后,螺旋管即进入了流动稳定状态,入口雷诺数可以显著提升螺旋管整体的对流换热效率,扭矩和曲率对内外壁面传热效果的影响不大,而窄高型的横截面构型可以显著改善螺旋管的传热效果。研究结果对应用矩形横截面螺旋管的冷却设计提供参考。     

海上油气混输中的分离技术

从发展海上油气混输特殊工艺要求出发,介绍中科院力学所“十五”期间,在油气水分离技术方面开展的研究工作。此工艺用于春晓油田,油中除水,再进行油气混输,防止长距离管输时在高压低温条件下油中产生水化物而阻塞管线。在文献总结、专利调研和国内现场考察的基础上,提出研制集重力、离心、膨胀于一体的复合式分离器,以达到高效快速分离的目的。并对国内外尚未使用过的螺旋管分离装置,开展了油水分离的一些理论及实验研究。     

螺旋管式空气-空气换热器的设计和实验研究

为解决飞行器高马赫数飞行时,用于冷却航空发动机涡轮叶片和其他高温部件的压气机出口空气温度过高的问题,设计加工了一种以外涵空气为冷源的螺旋管式空气-空气换热器用于预先冷却冷却空气。换热器由48根材料为不锈钢321,外径4 mm,壁厚0.5 mm的螺旋管组成,重量1.91 kg,传热面积密度106 m2/m3。在常温工况下实验研究了换热器管内和管外流体的阻力特性,高温条件下试验验证了换热器设计点性能,压气机出口空气温降达188 K,功重比4.9 kW/kg,换热器展现出较强的换热能力。高温条件下实验研究了两侧空气流量分别单独变化时换热器的热动力性能,拟合了管外换热经验关系式。研究结果可用于未来相似结构换热器的设计。     

螺旋管内超临界CO2流动方向对换热的影响

应用重正化群（RNG）k-ε湍流模型对超临界CO₂流体在内径为9 mm,有效受热长度为5.5 m,节距为32 mm,绕径为283 mm的竖直螺旋管中的加热过程开展了数值模拟。研究了质量流速、进口压力、热通量以及不同流向对超临界CO₂换热和压降的影响,并进一步分析变物性、浮升力和离心力在不同流动方向上对螺旋管中换热的耦合作用。结果表明：浮升力对超临界流体在螺旋管向上流动与向下流动的影响差别不大,而对水平流动的影响较大尤其是当流体在螺旋管的截面到入口截面的距离与管径之比为150～350之间（即临界温度附近）时,由于变物性、浮升力和离心力的耦合作用,导致水平流动方向上换热系数的震荡。     

螺旋管内超临界航空煤油流动阻力特性

研究了系统压力、质量流速及螺旋管结构形式对超临界压力下航空煤油RP-3在螺旋管内的流动阻力特性.实验结果表明:螺旋管局部阻力系数变化曲线由螺旋管内流体临界雷诺数、拟临界温度分为明显的3个部分:工质温度低于拟临界温度且管内雷诺数小于螺旋管临界雷诺数时,局部损失系 数与雷诺数和螺旋直径与管径比D/d_in相关;流体温度低于拟临界温度且雷诺数大于临界雷诺数时,局部阻力系数只与D/d_in相关; 流体温度大于拟临界温度时,局部阻力系数除与雷诺数和D/d_in相关外,同时还与密度、黏性的大幅变化相关.另外,基于实验结果,提出了一种用压力、温度和螺旋直径与管径比进行修正的局部阻力系数关联式,拟合结果与实验结果相比,具有较好的一致性.      

6061铝合金管自由弯曲螺旋成形工艺研究

主要通过数值模拟与试验相结合的方法研究螺距以及螺旋直径的变化对6061铝合金螺旋管成形工艺的影响,发现在螺距一定时,螺旋直径的增大会使螺旋管的截面畸变减轻;螺旋直径一定时,螺距的增大会使螺旋管的截面畸变加重,壁厚中性层的向外偏移量会随着螺旋半径的增大而逐渐减小。基于数值模拟结果得到的实际螺旋管件成形效果良好,螺旋线平滑且接近标准圆,外观尺寸以及截面畸变都与数值模拟结果符合良好,很好地验证了数值模拟对实际试验的良好预测性。     

不完全概率信息的螺旋管簧的可靠性鲁棒设计

将可靠性优化设计理论、可靠性灵敏度分析技术与鲁棒设计方法相结合,讨论了具有不完全概率信息的螺旋管簧的可靠性鲁棒设计问题,提出了可靠性鲁棒设计的计算方法。把可靠性灵敏度溶入可靠性优化设计模型之中,将可靠性鲁棒设计归结为满足可靠性要求的多目标优化问题。     

浮升力对竖直螺旋管中超临界CO2换热的影响及判别准则

基于航空发动机间冷器的冷却换热问题，进行竖直螺旋管内超临界压力CO₂换热数值研究。探究运行参数对沿流向和周向换热的影响机制。通过管截面温度场和流场分布阐述了浮升力和离心力引起的周向非均匀换热机制，评估二次流速度和强度。根据管道结构特性提出新的浮升力参数和浮升力影响判别准则，建立新的换热关联式。结果表明：管上游非均匀换热源于浮升力与离心力综合作用，管下游非均匀换热由离心力主导。当满足浮升力因子Bu≥1.6×10^-5时，浮升力在换热中起主导作用。新换热关联式可以较好地适用于螺旋管内换热预测。