48、热交换与界面热通量数值估计相关研究

热交换与界面热通量数值估计相关研究

1. 圆形管内多种插入物的热交换与压降增强技术

1.1 引言

热交换器是制冷循环的关键组件，其作用是根据温度变化实现能量从一种介质传递到另一种介质。系统的热性能取决于热交换器将热量从高温流体传递到低温流体的能力。设计师们热衷于以最低的成本和运行费用构建高效紧凑的热交换器。

1.2 多种插入物的能量传递特性

• 扭曲带插入物
  • 热交换器的热传递速率主要取决于对流层的流动模式和流体的热物理特性。由于附着在管壁上的边界层提供了对流阻力，阻碍了热传递过程。为了增强热传递，促进加热壁附近的扰动技术可能有助于控制摩擦损失的同时增加，使其保持在可承受的范围内。
  • 不同的管插入物被用于提高热交换器的热性能。例如，Eiamsa - ard等人进行了实验，研究了在圆管中使用不同扭转比（TR）和间距比的完整长度扭曲带（TT）对热传递和摩擦特性的影响。结果表明，在双管热交换器的内管中使用TT插入物可以显著提高热传递速率，但同时管的摩擦系数也会增加。这是由于流体的二次流动产生的旋流运动导致热传递和摩擦增强。
  • 另一个实验中，Eiamsa - ard等人分析了使用螺旋螺杆带（有或无芯棒插入物）的热交换装置的能量传递和流体流动数据。结果显示，无芯棒的松散配合螺旋螺杆带的热传递效果更好，热交换率比光滑管高约340%。虽然使用带芯棒的螺旋螺杆带时摩擦降低了50%，但无芯棒带的热交换率高出25 - 60%，且效率翻倍。
  • Thianpong等人进行了一个实验，研究了在有凹痕的管中使用TT插入物时热传递和摩擦的复合效应。结果表明，TT插入的凹痕管的摩擦系数和对流系数比无插入物的凹痕管和平管更高。随着TR和间距比的减小，两种配置的热传递系数（h）和摩擦因子（F）都会增加。
  • Eiamsa - ard等人还研究了在圆管中使用三角翼扭曲带插入物的影响。结果发现，随着TR的减小和翼切割深度比的增加，热传递系数和F都会增加。
• 带切口的扭曲带 ：Chang等人使用装有扭曲锯齿带的管进行实验，以了解流动摩擦和热传递特性。通过在典型的TT几何形状上添加重复的肋条来增强湍流，由于大的湍流涡扩散，锯齿状TT的热传递比无带插入物的简单管更多。

1.3 热传递和流体流动的机制

• 普通扭曲带的影响 ：使用TT作为插入物会在流体核心处引发旋流运动，导致管内壁附近产生湍流。由于旋流运动产生的离心力使热传递增强，同时由于较高的湍流强度和破坏的边界层，表面和流体的摩擦也会受到影响。
• 有规律间隔扭曲带的影响 ：Eiamsa - ard等人发现，连续节点之间存在较大空间会增加自由空间比，导致旋流更快分解。因此，为了提高热传递速率并降低压力损失，自由空间比的最佳值应大于1。

1.4 实验方法

实验在装有普通和不同扭转带的圆形圆柱体上进行，雷诺数（Re）范围为3500 - 13500，工作流体为水。同时也对普通管进行了测试，以比较多种扭转带插入管的性能。水从水箱的流动由截止阀控制，流速由转子流量计测量。加热器在管表面提供均匀的热流。设置热流和流体流速后，观察管表面以及入口和出口的温度。大约半小时后，系统达到稳定状态，此时测量管表面八个点、入口和出口的流体温度。通过微压计测量测试管上的压力头差。按照上述方法对不同配置的扭曲带插入物进行测试。

1.5 ANSYS分析

通过对管状管模型应用边界条件和几何属性，并使用ANSYS软件进行分析。根据给定的热传递速率输入，得到较高的努塞尔数（Nu）。模拟结果显示，最大热传递速率在管的末端获得，且在管的圆周处也有体现。随着热传递速率的增加，Nu也会增加。

以下是一个简单的实验流程表格：
|步骤|操作|
| ---- | ---- |
|1|设置实验装置，包括水箱、截止阀、转子流量计、加热器等|
|2|控制水的流动，调节截止阀并通过转子流量计测量流速|
|3|设置加热器，提供均匀热流|
|4|观察管表面和入口、出口的温度，等待系统达到稳定状态|
|5|测量管表面八个点、入口和出口的流体温度以及压力头差|
|6|对不同配置的扭曲带插入物重复上述步骤|

下面是热传递过程的mermaid流程图：

graph TD;
    A[流体进入管内] --> B[与插入物相互作用产生旋流];
    B --> C[旋流导致湍流增强];
    C --> D[热传递增强];
    C --> E[摩擦增加];
    D --> F[热量从高温流体传递到低温流体];

2. 使用逆热传导方法对界面热通量的数值估计

2.1 引言

在模具和铸件的界面处进行热耗散对于减少铸件缺陷和生产高质量铸件起着重要作用。因此，研究铸件凝固过程中的界面热传递至关重要。本文重点研究了使用“逆热传导”方法对空心圆柱体内表面的热通量进行数值估计。

2.2 逆热传导方法原理

“逆热传导”方法是根据热传导体内的瞬态温度分布来估计边界条件。在本研究中，假设圆柱体顶部和底部绝缘，考虑圆柱体径向的一维热传递。采用带伴随问题的共轭梯度法来解决瞬态热通量估计的逆问题。

2.3 实验模拟

输入逆问题的是圆柱体内的一维瞬态模拟温度数据。模拟数据通过求解四种热通量测试函数（余弦、三角形、多项式和阶跃函数）的直接问题生成。使用具有零均值和两种不同标准差的随机误差项来形成模拟数据。

2.4 结果分析

将估计结果与用于生成模拟数据的精确值进行比较。结果表明，对于所有测试函数，估计结果与精确值匹配良好，只是在尖锐角落处存在一些偏差。这证明了逆方法在金属铸造过程中估计瞬态界面热通量的有效性。

以下是逆热传导方法的步骤列表：
1. 确定研究对象（空心圆柱体），假设顶部和底部绝缘。
2. 选择四种热通量测试函数（余弦、三角形、多项式和阶跃函数）。
3. 求解直接问题，生成一维瞬态模拟温度数据。
4. 添加具有零均值和不同标准差的随机误差项到模拟数据中。
5. 使用带伴随问题的共轭梯度法解决逆问题，估计热通量。
6. 将估计结果与精确值进行比较。

下面是逆热传导方法的mermaid流程图：

graph TD;
    A[确定研究对象] --> B[选择热通量测试函数];
    B --> C[求解直接问题生成模拟数据];
    C --> D[添加随机误差项];
    D --> E[使用共轭梯度法解决逆问题];
    E --> F[比较估计结果和精确值];

综上所述，通过对圆形管内多种插入物的研究，可以提高热交换器的热性能，但需要平衡热传递增强和摩擦增加的关系。而逆热传导方法为金属铸造过程中界面热通量的估计提供了一种有效的途径。

热交换与界面热通量数值估计相关研究

3. 研究结果总结与分析

3.1 圆形管插入物实验结果总结

通过对圆形管内多种插入物的实验研究，得到了以下关于热传递和摩擦特性的重要结果：
|插入物类型|热传递效果|摩擦特性|
| ---- | ---- | ---- |
|普通扭曲带（TT）|显著提高热传递速率，随着TR减小和间距比减小，热传递系数增加|摩擦系数同时增加，因旋流运动和湍流增强|
|螺旋螺杆带（无芯棒）|热交换率比光滑管高约340%，效率翻倍|摩擦降低效果不如带芯棒情况，但热交换优势明显|
|TT插入凹痕管|摩擦系数和对流系数高于无插入物凹痕管和平管，TR和间距比减小，热传递系数和F增加|摩擦和热传递都有增强|
|三角翼扭曲带|随着TR减小和翼切割深度比增加，热传递系数和F增加|热传递和摩擦受几何参数影响|
|带切口扭曲带（锯齿带）|由于大的湍流涡扩散，热传递比无带插入物的简单管更多|因湍流增强，摩擦也会有所增加|

从这些结果可以看出，不同类型的插入物都能在一定程度上提高热传递效率，但同时也会带来摩擦损失的增加。在实际应用中，需要根据具体的工程需求和成本考虑，选择合适的插入物和参数组合，以达到热传递增强和摩擦损失控制的最佳平衡。

3.2 逆热传导方法估计热通量结果分析

对于使用逆热传导方法估计空心圆柱体内表面热通量的研究，通过对四种测试函数（余弦、三角形、多项式和阶跃函数）的模拟实验，得到了以下结果：
- 整体匹配情况 ：估计结果与精确值在大部分区域匹配良好，说明逆热传导方法在估计瞬态界面热通量方面具有较高的准确性和可靠性。
- 尖锐角落偏差 ：在测试函数的尖锐角落处，估计结果与精确值存在一些偏差。这可能是由于尖锐角落处温度变化剧烈，模拟数据中的随机误差以及数值计算方法的局限性等因素导致的。在实际应用中，可以考虑对这些区域进行更精细的处理，或者采用更高级的数值计算方法来减小偏差。

4. 实际应用与展望

4.1 圆形管插入物技术的实际应用

圆形管内多种插入物的热交换增强技术在许多实际工程领域具有广泛的应用前景：
- 制冷与空调系统 ：在制冷循环中，热交换器是关键组件。通过使用合适的插入物，可以提高热交换器的效率，降低能耗，从而提高整个制冷与空调系统的性能。
- 化工过程 ：在化工生产中，许多过程涉及到热交换。采用插入物技术可以优化热传递过程，提高反应效率，减少能源消耗和生产成本。
- 能源领域 ：在发电、太阳能利用等能源领域，热交换器的性能直接影响到能源的转换效率。插入物技术可以为提高能源利用效率提供有效的解决方案。

在实际应用中，需要根据具体的工程需求和工况条件，选择合适的插入物类型和参数，并进行优化设计。以下是应用圆形管插入物技术的一般步骤：
1. 需求分析 ：明确热交换系统的具体需求，如热传递速率、压力损失限制等。
2. 插入物选择 ：根据需求分析结果，选择合适的插入物类型，如扭曲带、螺旋螺杆带等。
3. 参数优化 ：通过实验或数值模拟，确定插入物的最佳参数，如TR、间距比等。
4. 系统设计 ：将插入物应用到热交换系统中，并进行整体设计和优化。
5. 性能测试 ：对应用插入物的热交换系统进行性能测试，验证其是否满足设计要求。

4.2 逆热传导方法的实际应用与展望

逆热传导方法在金属铸造、材料加工等领域具有重要的实际应用价值：
- 金属铸造 ：在金属铸造过程中，准确估计界面热通量对于控制铸件质量、减少缺陷具有关键作用。逆热传导方法可以根据铸件内部的温度数据，实时估计界面热通量，为优化铸造工艺提供依据。
- 材料加工 ：在材料加工过程中，如热处理、焊接等，热传递过程对材料的性能和质量有重要影响。逆热传导方法可以用于监测和控制热传递过程，提高材料加工的精度和质量。

未来，随着计算机技术和数值计算方法的不断发展，逆热传导方法有望在更多领域得到应用。同时，为了进一步提高逆热传导方法的准确性和可靠性，可以开展以下方面的研究：
- 改进数值计算方法 ：研究更高效、更精确的数值计算方法，减少计算误差和偏差。
- 多物理场耦合模拟 ：考虑热传递与其他物理场（如应力场、流场等）的耦合作用，进行更全面的模拟和分析。
- 实验验证与校准 ：通过更多的实验数据对逆热传导方法进行验证和校准，提高其在实际应用中的准确性。

5. 结论

本文对圆形管内多种插入物的热交换与压降增强技术以及使用逆热传导方法对界面热通量的数值估计进行了深入研究。通过实验和数值模拟，得到了以下主要结论：
- 圆形管插入物技术 ：不同类型的插入物都能在一定程度上提高热交换器的热传递效率，但同时会带来摩擦损失的增加。在实际应用中，需要根据具体需求选择合适的插入物和参数，以达到热传递增强和摩擦损失控制的最佳平衡。
- 逆热传导方法 ：逆热传导方法在估计瞬态界面热通量方面具有较高的准确性和可靠性，但在测试函数的尖锐角落处存在一些偏差。通过进一步改进数值计算方法和进行实验验证，可以提高其在实际应用中的性能。

这些研究成果为热交换系统的优化设计和金属铸造过程中的热通量估计提供了重要的理论依据和技术支持，具有重要的实际应用价值。

下面是整个研究过程的mermaid流程图，展示了从实验研究到实际应用的整体流程：

graph LR;
    A[圆形管插入物实验研究] --> B[逆热传导方法数值模拟];
    B --> C[结果分析与总结];
    C --> D[实际应用领域选择];
    D --> E[应用步骤实施];
    E --> F[性能测试与优化];
    F --> G[持续改进与研究];

总之，热交换与界面热通量的研究是一个不断发展和完善的领域，未来还有许多工作需要进一步深入开展，以满足不断增长的工程需求和提高能源利用效率。