2018年第5期 导 弹 与 航 天 运 载 技 术 No.5 2018 总第634期 MISSILES AND SPACE VEHICLES Sum No.364 收稿日期：2017-05-30；修回日期：2017-11-21；数字出版时间：2018-01-05；数字出版网址：https://www.doczj.com/doc/461286139.html, 基金项目：国家自然科学基金（91441123） 作者简介：杨新垒（1992-），男，硕士研究生，主要研究方向为组合发动机推进技术 文章编号：1004-7182(2018)05-0040-05 DOI ：10.7654/j.issn.1004-7182.20180509 紧凑型换热器换热特性研究 杨新垒，聂万胜，王 辉 （航天工程大学，北京，101416） 摘要：紧凑型预冷换热器是复合预冷发动机的关键部件，为研究紧凑型预冷换热器的换热特性，提出符合中国现有工业水平的紧凑型预冷换热器。采用数值仿真方法分析了冷流参数、换热管参数及管间距对预冷起换热效果的影响规律，分析了可提高换热效果的改进方向，在此基础上提出了一种新型紧凑型预冷换热器，并对换热效果进行了仿真分析。结果表明：新型预冷换热器单位体积换热面积为1309m 2，单位体积换热功率为355.5MW ，可将质量流量为120kg/s 的空气由1350K 降低至 486K 。 关键词：预冷换热器；换热效果；数值仿真；优化分析 中图分类号：TK124 文献标识码：A Study on Heat Transfer Characteristics of Compact Heat Exchanger Yang Xin-lei ，Nie Wan-sheng, Wang Hui (Space Engineering University ，Beijing, 101416) Abstract: The compact heat exchanger is the key component of the composite precooling engine, in order to study the heat transfer characteristics of compact heat exchangers and propose a compact precooling heat exchanger. Numerical simulation is used to study the influence of cold flow parameters, heat transfer tube parameters and tube spacing on heat transfer effect, the improvement direction of enhancing heat exchange effect is summarized, a new type of high efficiency and compact precooling heat exchanger is proposed. The results show that the new precooling heat exchanger has a unit volume heat transfer area of 1309m 2, and a unit volum heat transfer power of 355.5MW. The air with a mass flow rate of 120kg/s can be reduced from 1350K to about 486K. Key words: precooling exchanger; heat exchange effect; numerical simulation; optimization analysis 0 引 言 近年来，组合发动机的研制与应用越来越受到各国的重视。孙国庆等[1]对国外各种吸气/火箭组合发动机的研制情况及关键技术进行了综述，总结出对组合发动机发展途径的观点；彭小波等[2]通过对常见的 3种组合循环动力技术的特点和发展现状的分析，提出了发展建议；聂万胜等[3]对协同吸气式火箭发动机的发展现状进行了综述，认为其是各类组合发动机中具有较大发展潜力的一种组合发动机。协同吸气式火箭发动机是一种可对来流进行冷却的预冷吸气式发动机，通过对来流进行冷却，可获得理想的压气机进口温度，增大压气机增压比和空气密度，提高发动机推力，扩展飞行包线。高效紧凑预冷换热器是预冷吸气式发动机的关键部件[4]。 高效紧凑预冷换热器具有管径小、管壁薄、功率需求高的特点，因此提高换热效果对于减轻换热器结 构质量，提高发动机性能具有重要的意义。目前开展的研究主要集中在对换热机理的研究，如Xu 等[5]通过实验对微管道内的流动进行了研究；汪元等[6]对微小通道流体单相气态流动换热机理进行了总结。但对于宏观上如何增强微尺度换热器换热效果的研究开展较少。本文在保持热流条件不变的情况下，以换热器后空气平均温度为评价指标，研究了冷流参数、换热管参数及管间距对换热效果的影响规律，旨在寻求提高换热效果的改进方向。在此基础上优化了换热器参数，提出了一种新型布局的圆管换热器，建立了三维换热单元，对换热效果进行了仿真计算。
微通道换热器流动和传热特性的研究 微通道换热器流动和传热特性的研究 杨海明朱魁章张继宇杨萍 (中国电子科技集团公司第十六研究所,合肥230043) 摘要：通过对微通道换热器流动和传热特性的研究,设计了实验方案并建立了相应的实验装置,结合流动、传热特性的相关准则,得出了雷诺数Re-摩擦系数f,雷诺数Re、普郎特数Pr-努谢尔特数Nu间关系的实验模型,并对该模型进行了分析。 关键词：微通道换热器;流动特性;传热特性;实验模型 1引言 通道式换热器是利用传热学原理将热量从热流体传给冷流体的,冷热流体分别在固体壁面的两侧流过,热流体的热量以对流和传导的方式传给冷流体。由于它结构紧凑、体积小、换热效果好,已广泛应用于红外探测、电子设备、生物医疗等工程领域的冷却中。然而随着现代科技水平的不断发展,被冷却的器件、设备其功能越来越强大,体积和重量越来越小,结构趋于复杂化,散热要求越来越苛刻,迫使采用通道式换热器的制冷器件向小型化、甚至微型化的方向发展,尤其是半导体激光器、T/R收发组件、微电子集成器件等电子仪器、设备对这方面的要求更高,于是微通道换热器(特别是微型节流制冷器MMR)的研制开发已迫切地提到了议事日程上来。 所谓微通道换热器即是采用拉丝或光刻等技术在金属、玻璃等基材上刻出几十至几百微米的细微槽道来构成换热器的壁面,再采用焊接或胶粘等方式形成封闭腔体来进行冷热流体的热交换,达到制冷的目的。国外对微通道换热特性的研究较多,但主要是进行直线微通道换热器特性的研究,早期关于其流动问题的研究是在微型Joule-Thomson制冷技术中完成的,由美国斯坦福大学利特尔(W.A. Little)教授发明,采用现代半导体光刻加工技术, 在微晶玻璃薄片上刻出几微米到几十微米的细微直线槽道,并采用胶粘技术构成气流的微型换热器、节流元件和蒸发器,从而获得了一种结构新颖的微型平面节流制冷技术以及一定的成果和专利。目前已经开发成微型制冷器,用于低温电子器件的冷却,产品照片如图3所示。 2流动、传热特性的相关准则
价值工程 —————————————————————— —基金项目：西安市科技计划项目（CXY1134WL09） 。作者简介：王琳琳（1981-），女，陕西西安人，西安文理学院数学 与计算机工程学院，讲师，西安交通大学能动学院博 士生，研究方向为微通道内的两相流动。 0引言 微通道的尺寸非常小，其通道的宽度一般在之间，流量小[1]，借助微通道可以进行两相流体的混合、纳米粒子合成、 蛋白质结晶等。在化工方面，要求能够控制微通道内化学物质输运的时间和物质空间的分布[2，3] 。近年来，研究者对不同结构微通道内流动的控制产生了极大的兴趣，成为 一个重要的研究方向[4]。 雷诺数是惯性力和黏性力之比，微通道内雷诺数小，两相流动受到黏性力的影响，在通道壁面约束下，表面张力和挤压力对离散相的形成起到重要作用。微通道的制作工艺精度较高，监测通道内流动的设备需要极其微小，这些都使得采用实验研究微流动的难度和费用较大，而数值模拟能够克服这些缺点。两相流动问题常见的数值模拟方法有：标记网格方法（MAC ），水平集方法（level set method ），相场方法（phase field method ），VOF 法，格子布尔兹曼方法（Lattice Boltzmann method ）等，在这些的数值方法中，相场方法利用自由能量描述两相流体的界面，模拟中采用非结构化网格时容易实施，对流场的计算中不用重新初始化，物质的质量损失较小，控制方程中的变量具有一定物理意义，并能够模拟能量耗散的流动[5]。本文采用相场方法，数值模拟工程中常见的错流接触T 型微通道内离散相的形成过程，研究微通道内压强和流场的变化特点。 1控制方程 连续性方程和动量方程为： 塄· v 軆=0坠v 軆坠t +（v 軆·塄）v 軆=塄·[-p ρI+μρ（塄v 軆+（塄v 軆）T ]+1ρ F 軋σ+g 軆軋軋軋軋軋軋軋軋軋軋軋 ， 其中v 軆是速度向量，p 是压强，ρ是密度，μ是动力粘性系数，F 軋σ是表面张力，σ是表面张力系数。由相场理论知，两流体间的相互作用可用自由能量密度f mix （准，塄准）=1λ 塄准2+f 0（准 ）来表示，式中的第一项1λ塄准2 是两相流体界面内的能量密度，第二项f 0（准 ）=λ4∈ 2（准2-1）2 是各个流体的块能量密度，λ是混合能量密度的参数，∈表示两流体界面的厚度，准是相场变量，微通道内离散相和连续 相对应的准值分别是-1和1， 准在-1和1之间变化对应的区域就是两相界面，自由能量密度反映了两相流体间的相互作用。对自由能量密度在计算区域内积分，得到自由能F ，即F=乙v f mix dv ，F 关于相场变量的变化率是化学势G ， 即G=坠F 坠准 ，由自由能的定义可得到，G=f ′ 0（准）-λ塄2准。Van der Waals 假定流场中自由能最小处就是平衡的两相界面，因此两相界面满足方程坠F 坠准 =0。通过计算可得到平衡 的一维两相界面的表达式是准（x ）=tanh （x 2姨∈ ）。平衡 两相界面单位长度的自由能理解成表面张力系数[6]，即σ= λ +∞ -∞乙 1（d 准）2 +f 0（准）dx ，结合前面的定义和公式，得到表面张力系数、两相界面厚度和混合能量密度的关系式 σ=22姨3λ∈ 。 表面张力可用化学势表示：F σ 姨=G 塄准。上面方程组结合Cahn-Hilliard 对流方程坠准坠t +v 軆·塄准=塄·（γ塄G ）就是计 算微通道内两相流动的控制方程。 2T 型微通道内离散相的形成研究的物理模型是T 型微通道，通道宽度D=111μm ，离散相通道和主通道垂直，两通道长度分别是3D 和45D ，离散相和连续相分别从垂直方向和水平方向同时注入通道，在一定条件下形成间距固定的离散相。微通道内可忽略重力作用，为简化计算，设置两相流体密度相同，表面张 T 型微通道内两相流动数值模拟和流场分析 Numerical Simulation of Two-phase Flow and Flow Field Analysis in a T-junction Micro-channel 王琳琳①②WANG Lin-lin ；胡洪萍①HU Hong-ping （①西安文理学院，西安710065；②西安交通大学，西安710049） （①Xi'an University o f Arts and Science ，Xi'an 710065，China ；②Xi'an Jiaotong University ，Xi'an 710049，China ） 摘要：借助相场方法数值模拟T 型微通道内两相流动，通过改变毛细数大小，得到三种形成机理下的离散相。随着毛细数增大， 离散相形成过程对微通道内压强和速度的影响减弱。 Abstract:The two-phase flow was simulated in a T-junction micro-channel by using the phase field method,and three type droplets were obtained with different capillary number.We found that the influence of droplet formation on pressure and velocity became weak as the capillary number increases. 关键词：相场方法；数值模拟；微通道；毛细数Key words:phase field method ；numerical simulation ；micro-channel ；capillary number 中图分类号：TQ021.1文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2012）31-0180-02 ·180·
外掠管束的流动和换热特性的数值模拟 列管式换热器是一种比较传统且在工业化生产过程中应用十分普及的换热器,其流动本质为热流体外掠圆管进行流动、换热。本文对流体在换热管束中的流动和传热过程进行数值计算,考察不同管束排布方式、管束结构参数、操作条件等对其流动及传热特性的影响,并定量分析了管排的强化传热机理,在此基础上进一步对管束进行流固耦合分析。通过研究可以发现,管排中圆管的平均努赛尔数Nu与单圆管相比提高了 37%,传热强化较为明显。 通过改变管束结构参数,计算了不同纵向节径比(SL/D)和横向节径比(ST/D)对顺排管排传递特征的影响,并综合评价了其传热强化效果。结果显示,增大纵向节径比和横向节径比均能提高Nu数,但同时阻力系数也随之增大。综合传热能力对横向节径比更为敏感,当ST/D=2.5,SL/D=2.7时综合传热能力最优。 此外,考察了雷诺数对顺排管束涡脱落的影响,并通过线性拟合得到了管排斯特劳哈尔数St与雷诺数Re的关系,结果表明管排结构可以对涡脱落起一定的抑制作用,减小涡脱落频率。在相同工况下,对流体在叉排管束中的流动及传热过程进行数值模拟。对比叉排管束和顺排管束的流场分布和Nu数分布,可以发现叉排管束的换热强化能力优于顺排管束。 运用场协同理论分析管束结构对传热强化的机理,发现叉排管束中速度矢量与温度梯度的协同程度较好,强化传热能力更强。对换热管束进行单向流固耦合研究,分析了雷诺数、纵向节径比和不同管排结构下换热管束的应力应变分布规律。结果表明,雷诺数对顺排管束应力分布影响不大,但其应力强度对其排布方式较为敏感。 增大SL/D,顺排管束应力最大值先增大后减小。与顺排管束相比,叉排管束
Fluent油水两相流弯管流动模拟 一、实例概述 选取某输油管道工程管径600mm的90°水平弯管道，弯径比为3，并在弯管前后各取5m直管段进行建模，其几何模型如图所示。为精确比较流体流经弯管过程中的流场变化，截取了图所示的5个截面进行辅助分析。弯管进出口的压差为800Pa，油流含水率为20%。 二、模型建立 1.启动GAMBIT，选择圆面生成面板的Plane为ZX，输入半径Radius为0.3，生成圆面， 如图所示。
2.选择圆面，保持Move被选中，在Global下的x栏输入1.8，完成该面的移动操作。 3.选取面，Angle栏输入-90，Axis选择为（0,0,0）→（0,0,1），生成弯管主体，如图所 示。
4.在Create Real Cylinder面板的Height栏输入5，在Radius1栏输入0.3，选择Axis Location 为Positive X，生成沿x方向的5m直管段，如图所示。 5.同方法，改变Axis Location为Positive Y生成沿y方向的5m直管段，如图所示。
6.将直管段移动至正确位置，执行Volume面板中的Move/Copy命令，选中沿y轴的直管 段，在x栏输入1.8，即向x轴正向平移1.8。然后选中沿x轴的直管段，在x栏输入-5，在y栏输入-1.8，最后的模型如图所示。 7.将3个体合并成一个，弹出Unite Real Volumes面板，选中生成的3个体，视图窗口 如图所示。
三、网格划分 1.打开Create Boundary Layer面板，在Edges黄色输入栏中选取线3。选中1:1的边界 层生成方式，并设置第一个点距壁面距离为0.001m，递增比例因子为1.2，边界层为4层。绘制完边界层网格，如图所示。 2.打开Mesh Faces面板，运用Quad单元与Pave方法对该圆面进行划分，在Interval size 栏输入0.05，生成的面网格如图所示。
2009年9月 农业机械学报 第40卷第9期 自吸泵气液两相流数值模拟分析3 刘建瑞 苏起钦 (江苏大学流体机械工程技术研究中心,镇江212013) 【摘要】 采用Mixture 多相流模型、Realizable 湍流模型与SIMPL EC 算法,应用CFD 软件Fluent 对内混式自吸泵自吸过程的气液两相流进行了数值模拟。通过分析不同含气率条件下流场的压力分布、速度分布、气相分布,探讨了气液两相介质在泵内的运动情况,一定程度上揭示了内混式自吸泵自吸过程的内部流场变化规律,为自吸泵的设计提供更多的参考依据。 关键词:自吸泵 气液两相流 数值模拟 自吸性能中图分类号:TH317 文献标识码:A Numerical Simulation on G as 2liquid Two 2phase Flow in Self 2priming Pump Liu Jianrui Su Qiqin (Technology and Research Center of Fluid M achinery Engineering ,Jiangsu U niversity ,Zhenjiang 212013,China ) Abstract 32D simulation was performed for the gas 2liquid two 2phase turbulent flow in self 2priming pump by using Fluent software with Mixture model ,SIMPL EC algorithm and Realizable turbulence model.The gas 2liquid two 2phase flow in self 2priming pump was investigated in the pressure in the pump ,the velocity in the pump ,the distribution of gas and liquid phase in the pump.To some extent ,the results reveal the self 2suction process of the two 2phase flow in self 2priming pump ,and provide references for self 2priming pump design. K ey w ords Self 2priming pump ,G as 2liquid two 2phase flow ,Numerical simulation ,Self 2priming capability 收稿日期:2008210229 修回日期:20092022193国家“863”高技术研究发展计划资助项目(2006AA100211)和江苏省科技支撑计划项目(BE2008381)作者简介:刘建瑞,教授,博士生导师,主要从事流体机械及工程研究,E 2mail :ljrwjj @https://www.doczj.com/doc/461286139.html, 引言 自吸离心泵自20世纪60年代开始研究以来发 展迅速,产品已成系列。然而目前自吸泵的理论还不完善。以往对自吸性能的研究大多采用实验方法,但由于自吸泵自吸过程是气液两相流输送过程,其内部流场较为复杂,而且影响自吸泵自吸性能的因素较多。采用实验方法势必要耗费大量的人力、物力,而且也难以为自吸泵的设计提供准确而充分的理论依据,因此需要对自吸泵自吸过程的内部流场进行深入研究[1]。近年来,随着计算流体力学和相应计算软件的发展,对自吸泵的三维数值模拟已成为可能[2]。本文借助Fluent6.2软件平台提供的Mixture 多相流模型对内混式自吸泵自吸过程的内 部流场进行三维数值模拟。分析泵进口不同含气率条件下的模拟结果,初步揭示内混式自吸泵自吸过程中气液两相流速度场分布、压力场分布、含气率分布规律,以期为自吸泵的优化设计提供更充分的理论依据。 1 数学模型的建立 数值模拟所选内混式自吸泵的结构,如图1所示。111 基本假设 (1)假定整个流场相对运动定常,绝对运动有势,且液相为不可压缩流体、气相为不可压缩理想气体。 (2)流场中气泡的直径较小,可以忽略气泡对流
槽道颗粒两相流的数值模拟简介 使用直接数值模拟和拉格朗日粒子追踪法研究小固体颗粒对水平槽道近壁区域流体的影响，对直接数值模拟的颗粒槽道流动的运算结果，采用条件抽样的方法分析流体相干结构对颗粒的影响。把流体对颗粒的作用简化为点力模型，同时假定碰撞为完全弹性碰撞。我们主要研究自由流体的平均速度，均方根速度，涡旋角速度均方根；以及对于加入颗粒的槽道流，我们打算先加入单行的颗粒程序，研究流体对颗粒的平均速度，均方根速度，数目随高度，浓度随高度的变化。再对两者进行耦合，研究两者之间的相互作用。 关键词：直接数值模拟（DNS），拉格朗日粒子追踪法，点力模型，相干结构 含有颗粒的流体常常人们的生活中以及一些工业的加工生产中。流态化技术在化工生产中也是一项极其重要的技术，但是颗粒两相流往往呈现了多变性和复杂性；以气体固体液态化为例，当颗粒的通量，流体的速度不同时，其会呈现不同的液态形式；早在19世纪就有了关于明渠中关于泥沙的转移和沉积的两相流的研究，在60年代后，出现了对该问题的一些有关两相流的基本方程的研究及相关的著作；在过去数年间，人们从不同的动机出发，慢慢的建立了对于两相流的三大模型：连续介质模型，离散颗粒模型，流体拟颗粒模型（从刻划单颗粒尺度的运动规律入手 ,不仅仅是把宏观的离散的颗粒当成离散相处理 ,同时还把宏观的连续的流体以拟“颗粒”性质的流体微团来处理 ,来模拟非平衡态的系统，这类模型都是对流体和颗粒的运动采用拉格朗日坐标）物理概念不一样的颗粒流体两相流模型方程组的形式各异 ,即使是同一类模型 ,其方程组形式及各项参数也往往存在着差异。 在过去的几年间，有关颗粒方面的研究也有很多；尽管两相流数值模型取得了较大的进展，但是仍有许多问题亟待解决。跟我们研究比较接近的是Chris D.Dritselis 和Nicholas S.Vlachos在2008年发表的颗粒槽道流在近壁区域相干结构的研究；研究的主要内容是相干结构由于颗粒而引发的修正，其研究的方法是：直接数值模拟（DNS是通过直接求解控制流动的 N-S 方程，利用所得到的数值解来研究湍流的方法。近三十年的研究认为 N-S 方程完全可以描述包括湍流在内的复杂流动。直接求解 N-S 方程可以得到整个湍流场的全部信息，无