换热设备螺旋和直细通道内扇形凹穴对流体流动和传热的影响

为探究结构表面(如凹穴)对换热设备螺旋和直细通道内流体流动和传热影响的差异,在这2种通道的两侧面加入扇形凹穴,并采用数值方法研究其在不同雷诺数下流动、传热、熵产以及综合性能的影响。结果表明:凹穴对螺旋细通道内流体的流动影响明显,摩阻系数最大提高23%,而对传热和综合性能几乎没有影响;低雷诺数时凹穴对直细通道内流体的流动、传热和综合性能的影响不明显,而高雷诺数时影响显著,摩阻系数和努塞尔数最大分别提高50%和45%,最大传热强化因子达1.27;凹穴可减少螺旋和直细通道内流体流动和传热过程的熵产,但在高雷诺数时才比较明显地减少,且对直细通道的影响大于螺旋细通道,熵产增大数的最小值分别为0.34和0.73。研究结果可为微细通道换热设备的性能改善提供参考。     

太阳能电池冷却用微通道散热器内纳米流体换热特性

该文基于螺旋式微通道散热器,采用Mixture模型对菲涅尔高倍聚光下纳米流体冷却工质的换热特性进行了研究,并引入强化传热因子η来判定冷却工质的换热能效,结果表明:雷诺数相同时,与蒸馏水相比,Al_2O_3-H_2O和Si O2-H_2O纳米流体具有更高的对流换热系数,并且Al_2O_3-H_2O的传热特性要优于SiO_2-H_2O;纳米流体的强化传热因子随着入口流速的增大呈先升高后降低的趋势,当入口流速为0.82 m/s时,强化传热因子达到最大值,但质量分数为5%的Al_2O_3-H_2O纳米流体的强化换热因子与流体的入口速度成正比,且当流体速度小于0.68 m/s时,其强化传热因子高于其他3种纳米流体;Al_2O_3-H_2O纳米流体的换热特性随着纳米粒子粒径的增加而降低,随着质量分数的增加呈先增后降的二次曲线趋势,当质量分数为5.5%时换热特性最强,该研究为纳米流体在高倍聚光砷化镓太阳能电池冷却方面提供理论参考。     

农灌用新型迷宫式滴头内流动特性分析

滴头在滴灌系统中发挥着重要的作用,对其内部流动场的详细研究对改进滴头性能有重要意义。该文采用加罚有限元方法对滴头内流动进行数值模拟,详细分析了“迷宫式”滴头在不同流量时的流动特性。根椐数值计算得到的滴头流场分布,研究了雷诺数对流场的影响。给出了滴头流态指数及流量计算公式,为滴头的优化设计提供了参考。     

制冷系统不同表面能微通道的流动沸腾传热特性试验

为了研究微通道壁面特性对流动沸腾传热的影响,该文以具有不同表面能的微通道为研究对象,制冷剂R141b为试验工质,在不同热流密度、质量流率下对微通道内的沸腾传热特性进行了试验探究。结果表明:在该试验工况下,质量流率的增加有利于沸腾传热,但微通道内过冷段长度也相应增加;在微通道饱和沸腾区传热系数较稳定,但沿工质流动方向有缓慢降低的趋势;相比于表面能为23.93 m N/m的3#的微通道,表面能为60.03和49.54 m N/m的1#和2#微通道沸腾传热系数分别提高18.42%和9.28%;根据试验值与关联式预测值的对比情况,对Lazarek关联式进行修正,拟合得到能很好预测该试验各工况下的传热关联式,平均绝对误差为9.76%。该研究为微通道换热器的设计提供了参考。     

电场对微细通道内R141b制冷剂流动沸腾压降的影响

在农业工程领域,微细通道散热技术在农产品培育系统、农业机械、农产品干燥系统中有着广泛的应用。通过施加电场可强化微细通道换热系统的传热效率,为探究电场对微细通道内制冷剂流动沸腾阻力的影响,该文采用了2种电极布置方式(针状和线状),以制冷剂R141b为试验工质,在系统压力为140k Pa,工质入口温度32.5℃、质量流率277.35~531.75 kg/(m^2·s)、热流密度7.50~21.49 kW/m^2、电压0~850 V工况下,在截面尺寸为2 mm×2 mm的矩形微细通道内进行流动沸腾试验,探究直流电场对微细通道内R141b流动沸腾压降特性影响。研究结果表明:在本文试验工况下,电场会增大微细通道内的摩擦压降,针状与线状电极电场作用下的微细通道内摩擦压降分量在总压降中所占比例均比无电极作用下的更大;电场作用下单位长度两相摩擦压降随电压、热流密度的增大而增大,针状电极与线状电极电场作用下平均单位长度两相摩擦压降分别比无电极作用下增加0.7%~15.4%和1.3%~18.7%;电压为0~250 V时,针状电极对压降的影响效果大于线状电极,电压大于400 V后,线状电极对压降的影响效果更为显著。通过COMSOL软件对6 mm长微细通道内2种电场的分布进行了模拟,模拟结果表明相同电压作用下,针状电极产生的电场强度最大值超过线性电极,但线状电极的电场有效作用范围超过针状电极。该文研究结果可为通过施加电场提高微细通道换热器的性能实现微细通道高效节能提供新思路。     

换热器铝基微细通道微纳结构表面制备及其传热特性

在农业工程中,微细通道传热技术在储粮仓温度控制、农产品干燥系统和太阳能热水系统有着广泛的应用。该文使用CuCl2溶液刻蚀铝基微细通道表面并采用超声波清洗的方式得到微纳结构表面,呈现出超亲水性;在微纳结构表面的基础上用氟硅烷溶液修饰后得到超疏水表面,只经过砂纸打磨处理的为普通光滑表面。使用3种不同表面的微细通道进行流动沸腾试验,试验工质为R141b,操作压力为142 kPa,在不同质量流率、热流密度下研究不同润湿性表面对传热特性的影响。试验结果表明,在低热流密度下,超疏水表面有着最佳的传热特性,相对于普通光滑表面传热系数最大提高31.6%;当热流密度升高到一定值后,超亲水表面的传热系数最大,相对于普通光滑表面传热系数最大提高20.6%。继续提高加热功率,超疏水表面的传热系数开始下降,甚至低于普通光滑表面。该文通过改变微通道的表面特性,研究微纳结构表面对微通道流动沸腾传热特性的影响,为制造出更高换热特性的微细通道换热器提供了新的思路,从而实现节能与高效传热。     

基于混合解换热模型的地源热泵系统井群热干扰特性

为建立井群换热快速求解模型并研究其热干扰特性,提出了一种基于解析-数值计算的混合解模型,以16井群为研究对象,通过试验和数值模拟的方法研究了井群热干扰特性。研究结果表明:随着换热的进行井群中各井间产生热干扰并逐渐增强,同一运行时刻中井受热干扰程度最大、边井次之、角井则最小;由于井间热干扰的影响,角井换热能力最大、井壁温度最低,边井换热能力和井壁温度居中,中井换热能力最小、井壁温度最高,则运行90 d时角井换热量比边井大6.5%,边井换热量比中井大7.1%;角井对井群换热量的贡献率随换热时间延长逐渐增加,中井对井群换热量的贡献率则逐渐减少,而边井对井群换热量的贡献率基本不变。     

滴头流道CFD分析的研究进展与问题

滴头是滴灌系统重要的构成部件，其内部流道的流场直接决定了滴头性能的优劣，近几年出现的计算流体动力学(CFD)技术为准确分析滴头流场提供了一种新的途径，已成为滴头研究的热点。该文分析了滴头CFD研究现状，指出了在数值计算模型、边界条件处理方式、流动机理及采用粒子图像速度仪观测微尺度流场时存在的问题，给出了最新的计算实例，分析了影响滴头CFD模拟精度的各种因素，文中提出应按照微尺度理论建立数值分析模型，采用瞬态方法和低雷诺数湍流模式分析滴头内部流场。     

柴油机活塞二阶运动对内冷油腔机油振荡流动与传热的影响

柴油机活塞的二阶运动不仅影响活塞侧击力、摩擦磨损、机油耗和漏气量,而且还对活塞内冷油腔内机油的振荡流动与传热性能产生影响。在活塞动力学与运动学分析的基础上,结合活塞内冷油腔内的振荡传热性能模拟试验结果,采用计算流体力学仿真方法,建立了包含往复运动与二阶运动的计算流体力学仿真模型,研究了活塞二阶运动对内冷油腔内机油的振荡流动与传热性能的影响规律。研究结果发现,二阶运动的径向运动主要影响内冷油腔中机油的振荡流动,偏摆运动主要影响内冷油腔的瞬时换热性能。二阶运动使内冷油腔的瞬时充油率降低,循环平均降低4.6%。对油腔壁面的瞬时换热性能影响很大,最大的变化幅值为24.9%。对于整个换热过程,虽然充油率降低,但平均换热系数变化不大。因此,二阶运动对内冷油腔综合换热性能的影响可以忽略不计。该研究可为耐高温高强度铝合金活塞的设计提供理论和技术参考。     

槽式太阳能真空管接收器环形区域结构及气体优化

合适的间隙尺寸和真空度对减少接收器环形区域热损失、提高集热器系统效率非常重要。为了能有效利用理论方法对槽式太阳能真空管接收器环形区域进行优化研究,该文利用ANSYS软件建立了真空管接收器的三维流动、传热模型。该模型以Sol Trace光学软件模拟得到的金属管周向热流密度为热边界条件,模拟计算了真空管接收器内三维流动及传热过程。为验证模拟结果准确性,与文献试验结果进行对比,吻合较好,平均相对误差为4.91%。在确定数值模拟可靠性前提下,对接收器环形区域传热性能进行了计算和分析。模拟结果显示,随着间隙尺寸增大,环形区域平均温度和热损失逐渐减小;间隙尺寸小于20 mm时变化趋势较快,大于20 mm时变化趋于平缓。随着环形区域压力增大,金属管外壁面平均温度逐渐降低,玻璃套管内、外壁面平均温度逐渐升高;压力为0.0001~0.01 Pa时壁面温度基本不变,压力大于0.01 Pa时壁面温度变化明显。环形区域的传热特性与渗入的气体种类也有关系,渗入气体导热系数越大,玻璃套管内壁面的平均温度越高。该研究对了解环形区域传热特性、优化环形区域结构、指导接收器设计具有一定的实用价值。     

换热器微细通道纳米流体沸腾混沌特征与强化传热的关系

为探究微细通道内纳米流体流动沸腾系统的传热性能、非线性特性及其相互关系,分别以质量分数为0.05%、0.10%、0.15%、0.20%和0.30%的Al2O3/R141b纳米流体和R141b纯制冷剂为试验工质,在2 mm×2 mm的矩形微细通道内进行流动沸腾试验,计算得到了不同浓度纳米流体的沸腾传热系数,建立了试验段进出口压差时间序列,运用Hurst指数分析、关联维数、最大Lyapunov数和Kolmogorov熵研究了该时间序列的非线性特征,并比较其与传热系数之间的关系,结果表明:相比纯制冷剂,纳米流体流动沸腾系统的混沌程度更强,传热性能也更好;纳米流体的混沌程度随着浓度的升高先增强后减弱,其沸腾传热系数也随着浓度的升高先增加后减小,试验工况下质量分数为0.1%的纳米流体的各项非线性特征量均达到最大值,混沌程度最强,相应的沸腾传热系数也为最大,其平均沸腾传热系数可达4.25 k W/(m~2·K),而纯制冷剂仅为2.42 k W/(m~2·K)。该文采用非线性分析与试验相结合的方法,更能准确描述微细通道沸腾系统的动力学特征,可为进一步研究微细通道纳米流体相变强化传热机理提供参考。     

2D25卧式柴油机冷却水套结构的CFD模拟优化

针对高效低污染卧式柴油机的技术要求,为了设计合理的冷却系统,结合冷却水流动试验,采用计算流体动力学(CFD)三维模拟的方法建立了冷却水流动仿真模型,分析了2D25卧式柴油机强制冷却闭式循环系统的冷却水套结构对冷却水流场的影响,优化了卧式两缸柴油机冷却水套结构。研究结果表明:合理布局缸体进水孔方案可以改善缸体水套内冷却水的流动和冷却效果,减少流动损失,降低水泵的功率损耗。合理设计和布置缸盖入水孔,可以大大提高缸盖水套内冷却水的整体流动速度,减小各缸冷却效果的差异,改善热负荷高的鼻梁区以及排气侧的冷却效果。对原冷却水套结构优化后,水套整体平均流速提高了40%,整体平均换热系数提高了41.7%,在公共水腔和缸体水套上方没有出现原方案的水流撞击和大漩涡,热负荷最高的缸盖底面和鼻梁区冷却水流速和换热明显增强,各缸均匀性变好。     

石蜡相变储热系统的放热效率

相变储热技术是节能的重要技术之一,对相变储热系统的换热系数以及放热效率的研究,有助于提高相变储热系统的放热效率,对相变储热系统的实际应用有着重要意义。该试验研究了叉排石蜡管束储热系统的整体放热性能,测定了该系统的换热系数及放热效率,并分析了管排数,风速等影响因素。研究表明,在小于3m/s的风速下,空气温度变化在20～55℃的范围内,该类储热系统的换热系数与使用现有准则关联式计算得到的理论值基本吻合;放热效率则随着风速的增大而下降,随管排数的增加而有所提高,最大可达83%;另外,延长放热时间,可以提高换热效率,最高可使放热效率提高62%。     

人字形板式换热器流道传热特性及参数优化

为实现田间条件下快速、准确识别棉花与杂草,该文以自然光照下田间棉花与杂草为研究对象,采用垂直向下拍摄的方式获取棉花杂草视频,按1帧/s的速率从视频中提取图像,在人工去除冗余度过多的图片后,建立1 000幅图片的数据集。对比了Faster R-CNN和YOLOv3 2种典型卷积神经网络,将Faster R-CNN卷积神经网络的深度学习模型引入到棉花杂草图像识别中,并提出一种结构优化的方法,使之适用于复杂背景下的棉田杂草识别。该文选用残差卷积网络提取图像特征,Max-pooling 为下采样方法,RPN网络中引入特征金字塔网络生成目标候选框,对卷积神经网络结构进行优化。在使用700幅图片进行训练后,通过200 幅田间棉花杂草图像识别测试,结果表明：该方法的平均目标识别准确率达95.5%,识别单幅图像的平均耗时为1.51 s,采用GPU 硬件加速后识别单幅图像的平均耗时缩短为0.09 s。优化后的Faster R-CNN卷积神经网络相对于YOLOv3平均正确率MAP高0.3以上。特别是对于小目标对象,其平均正确率之差接近0.6。所提方法对复杂背景下棉花杂草有较好的检测效果,可为精确除草的发展提供参考。     

全玻璃真空管太阳能集热器对流换热试验与模拟

以可再生能源总能系统为研究背景,通过搭建太阳能辅助燃料电池试验平台,逐步完成不同涂层材料、内置导流板太阳能集热器自然对流试验研究;在试验验证基础上,分别建立太阳能集热器自然对流和强迫对流三维数学模型,应用场协同和火积理论分析流动和传热数据。自然对流研究表明,吸收率在0.95~1.0、发射率在0.06~0.16时,随吸收率升高,发射率降低,热效率升高1.71%,火积增量逐渐增大;加装导流板后,真空管内部混流消失,底部流动得到强化,实验热效率提高2.17%;确定全玻璃真空管热水器导流板合理板厚为2 mm,合理板长为距离真空管底部60~100 mm,合理位置为中心线以上16~20 mm;强迫对流研究表明,横双排集热器雷诺和努赛尔数、火积增量均高于竖单排集热器,火积耗散低于竖单排集热器。确定太阳能辅助燃料电池集热场在中低温条件下,自然对流采用内置导流板集热器,强迫对流采用横双排集热器。     

相变材料回填地埋管换热器蓄能传热特性

为了探讨相变回填材料固液相变对地埋管换热器蓄能传热性能的影响,建立了带有相变的垂直U型埋管换热器传热数学模型,并利用显热容法对相变材料的相变问题进行了处理。基于模型的数值求解,分析了夏冬季运行工况下相变材料固液相变对U型埋管换热器蓄能性能及其周围土壤温度热响应特性的影响规律,结果表明：同样条件下,相变材料固液相变会减缓埋管周围土壤温度变化趋势,缩小埋管热影响区域;夏季工况采用较低相变温度、冬季采用较高相变温度的相变材料均可以明显改善其换热效果,同时相变潜热大的相变材料可以明显增加地埋管的蓄能效果。研究结论对于缓解土壤热影响区域、改善地埋管换热器的蓄能传热性能具有重要意义。     

日光温室保温被传热的理论解析及验证

为掌握日光温室保温被的传热及其保温特性,该文运用传热学理论,建立了模拟辐射、对流以及导热等形式的传热方程,在此基础上构建了日光温室保温被这类厚型覆盖材料的传热理论模型,编制了计算机程序。该模型通过对保温被内、外表面与环境间的有效辐射、投射辐射的分析,来确定辐射换热量;根据能量平衡的原理,建立了保温被表面通过对流传热、辐射传热的传热量与内部传热量之间的关系。所建立的计算方法与程序可根据覆盖材料的红外辐射特性、导热系数、覆盖层的构造参数及工作环境等条件,定量分析保温被覆盖层的传热,计算其传热量及传热系数值。试验测试结果表明,保温被的传热量及传热系数的理论计算值与试验测定值较为一致,该文的方法为保温被一类厚型覆盖材料提供了保温性定量分析评价的理论手段。