迈普 数学问题在工程 1563 - 5147 1024 - 123 x Hindawi 10.1155 / 2017/3254631 3254631 研究文章 研究加热除冰的液体在一个新的重塑了盘管 http://orcid.org/0000 - 0001 - 9814 - 3226 Mengli 1 http://orcid.org/0000 - 0002 - 4721 - 8942 Chiyu 1 http://orcid.org/0000 - 0002 - 8751 - 237 x Yunpeng 1 http://orcid.org/0000 - 0001 - 6736 - 4587 1 Suslov 谢尔盖。 航空工程学院 中国民航大学 天津300300 中国 cauc.edu.cn 2017年 31日 12 2017年 2017年 19 10 2017年 07年 12 2017年 31日 12 2017年 2017年 版权©2017吴Mengli et al。 这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。

飞机地面除冰操作,以确保公民在冬天飞行安全具有重要意义。螺旋盘管是中国重要的热交换器的防冰液加热系统。为了提高除冰效率,研究重点是防冰液的传热增强管。基于场协同原理,一个新的重塑管(TCHC)是由ring-rib内壁上的凸。防冰液是高粘度ethylene-glycol-based混合物。由于高粘度和温度之间的幂函数关系,粘度对传热有负面影响。环筋的数量和入口速度是两个关键参数对传热性能。对于水和乙二醇,出口温度上升时环筋的数量增加到一定限度。然而,速度的增加减少加热时间,从而导致更低的出口温度。原管进行加热实验。 The error between experiment and simulation is less than 5%. The outlet temperature of TCHC increases by 3.76%. As a result, TCHC efficiently promotes the coordination of velocity and temperature fields by changing the velocity field. TCHC has enhanced heat transfer of high viscosity deicing fluid.

天津城市的自然科学基金 15 jcqnjc42900 中国国家自然科学基金 51505483 中央大学基础研究基金 3122013 c012
1。介绍

在冰雪天气情况下,地面除冰民用飞行安全具有重要意义。近年来,地面飞机集中除冰了。地面防冰液加热系统的主要结构( 1由中国图所示 1。螺旋盘管是重要的热交换器系统。高粘度的防冰液需要快速加热管。为了提高除冰效率和确保飞行守时,重要的是要研究防冰液的传热增强。

飞机地面除冰的液体加热系统的结构。

防冰液复杂ethylene-glycol-based混合物。它的粘度温度的增加而非线性变化,这显然会影响传热。大多数研究防冰液主要是关于材料特性 2, 3]。然而,很少有论文传热的公开报道。结构变形是一种常用的传热增强和有效的方法。针对快速加热防冰液的情况下,我们小组提出了一种新的管基于场协同原理,即横向起皱螺旋盘管(TCHC)。

传热强化一直是一个热点。场协同原理是小说理论在这方面,由郭最近提议,中国学者。原则表明,传热强度不仅与速度和流体性质,而且速度场和温度场之间的协同度( 4- - - - - - 6]。传热的增强可以通过提高速度场和温度场之间的协调。基于这一原则,许多研究已经进行了连续管传热增强通过改变流速度场( 7- - - - - - 10]。原则被广泛测试和应用,许多调查人员。

许多学者研究了螺旋盘管内部的流动特性。院长( 11, 12]给出了n - s函数流螺旋盘管。造成的压力流的区别,二次流被证明提高传热效率。自20世纪末以来,计算流体动力学(CFD)技术发展迅速 13, 14]。Palanichamy和Nagaraj 15)提出了一个在圆管层流传热流动的数值模拟与内部纵向鳍使用有限差分数值代码。田et al。 16调查数字6个几何参数的影响和pin-fin安排在流向热工水力性能

数值方法已被用来分析几何配置和流动参数的影响螺旋盘管的传热。林和Ebadian [ 17]和Di广场和Ciofalo [ 18]研究音高和曲率的影响管的对流换热。的 k - - - - - - ε 琼斯和提出的模型是一个two-equation湍流模型槽(1972年 19]。的 k - - - - - - ε 模型是最广泛使用的完整的湍流模型。它是包含在大多数CFD代码( 20.]。的可实现的 k - - - - - - ε Shih et al .,提出的模型,在模拟验证各种流包括旋转均匀剪切流,通道流动和边界流( 21, 22]。Huttl和弗里德里希 23)表明,曲率比有强烈的对二次流的影响。Zachar [ 24]研究了自然对流传热引起的管的外表面。被认为是不同的几何配置和流动参数。fluid-to-fluid边界条件设置为实现实际流配置。内部侧传热速率的结果测试现有的经验公式和实验结果。

针对防冰液的传热增强,TCHC是基于场协同原理设计的。理想流体,水为对比研究了粘度的影响。由于复杂的特性,防冰液是由其主要组件,简化乙二醇。环筋的数量和入口速度是两个关键参数对传热性能。这些参数的变化乙二醇和水模拟TCHC和原始的管。出口温度选择评价指标。加热实验进行仿真验证。

2。数值方法

防冰液的传热增强,原始螺旋盘管已重塑TCHC基于场协同原理。

2.1。几何构型

ring-rib equal-pitch凸在TCHC的内壁。ring-rib TCHC内部的结构已经呈现在图 2。流速的变化当路过ring-rib。因此,一个额外的扰动生成增强传热。

ring-rib TCHC内部的结构。

为了研究ring-rib对传热的影响,得到了三种类型的TCHC通过改变环筋的数量。原管设置为NO。1管的对比。TCHC与不同数量的环筋设置为2号到4号管。模型的原始管和TCHC如图 3。四种类型的管子的具体参数如表所示 1

参数的原始管和TCHC。

管式 不。1 不。2 不。3 不。4

环筋的数量/每轮 0 4 8 16

内径/ d (毫米) 14 14 14 14

外径/ D (毫米) 20. 20. 20. 20.

Ring-rib高度/ h (毫米) 0 2 2 2

几何模型的原始管和TCHC。(一)没有。1管,(b)。2管,(c)没有。3管,(d)。4管。

2.2。网格生成

结构网格技术用于网格三种不同的六面体结构网格模型。网格代TCHC和原管是显示在图 4。墙的厚度是简化,所以流体通过的部分是网状。清晰的网状管、固体简单的显示方法,使空心管像实心管。

佩带一代(固体简单显示)。(一)TCHC和(b)原管。

不同数量的网格数量的TCHC环筋在表 2。网格分布均匀,满足数值模拟的要求。的网格计算更准确,ring-rib比其他部分更紧凑。

网格数量。

管式 不。1 不。2 不。3 不。4

网格数量(104) 76年 93年 112年 134年

原管和TCHC倾斜值的网格进行测试。超过97%的网格是在0.4。网格网格满足计算的要求。

3所示。控制方程和边界条件 3.1。守恒方程

流体力学的基本方程包括连续性方程、动量方程和能量方程,提出了( 1)和( 3)根据白 25]。大量实验的基础上,计算流体动力学的主要思想是构建不同的模型根据不同水动力问题。不同的数值方法应用于解决相关的微分方程。

连续性方程 (1) ρ t + · ρ U = 0 , 在哪里 ρ 是密度, 是哈密顿算符, U 是速度矢量。

动量方程 (2) d d t ρ U = - - - - - - P + · τ + F , 在哪里 P 的压力, τ 粘性应力张量, F 是额外的体积压力。

能量方程 (3) d d t ρ u + P · U = · k d T + Φ , 在哪里 u 内部能量, k d 热导率, T 是温度, Φ 粘性耗散项。

3.2。湍流模型

动荡的 k - - - - - - ε 模型是一种半经验的公式总结的实验。它决定解决的粘度系数 k 方程和 ε 方程;然后确定了湍流应力。

标准的功能 k - - - - - - ε 模型( 19)计算 (4) ρ k t + ρ k u x = x j μ + μ t σ k k x j + G k + G b - - - - - - ρ ε - - - - - - Y + 年代 k , ρ ε t + ρ ε u x = x j μ + μ t σ ε ε x j + C 1 ε ε k G k + C 3 ε G b - - - - - - C 2 ε ρ ε 2 k + 年代 ε , 在哪里 k 是湍流动能, ε 是湍流耗散率。 C 1 ε , C 2 ε , C 3 ε 常量: C 1 ε = 1.44 , C 2 ε = 1.92 , C 3 ε = 0.09 σ k σ ε 拥有紊流普朗特数的意义 k ε 运输的过程: σ k = 1.0 σ ε = 1.3 u 是平均速度分量。 年代 k 年代 ε 是用户定义的源项。 μ t 湍流涡粘性: μ t = ρ C μ k 2 / ε ,在那里 C μ 建议作为一个常数的值为0.09。 μ 动态粘滞度。 G b 由于浮力是湍流动能。 G k 由于速度梯度是压力源项。 Y 在可压缩湍流脉动扩展项。

可实现的功能 k - - - - - - ε 模型( 21)被定义为 (5) ρ k t + ρ k u j x = x j u + u t σ k k x j + G k + G b - - - - - - ρ ε - - - - - - Y + 年代 k , ρ ε t + ρ ε u x = x j μ + μ t σ ε ε x j + ρ C 1 E ε - - - - - - ρ C 2 ε 2 k + ν ε + C 1 ε ε k C 3 ε G b + 年代 ε , 在哪里 E = 年代 j 年代 j , 年代 j 是速度应变率张量表示为 年代 j = 1 / 2 ( u / x j + u j / x ) , ν 是运动粘度, C 1 C 2 在数值模拟是常数。

k 方程的可实现的 k - - - - - - ε 湍流模型类似于标准 k 方程。湍流粘性常数的公式是改变前满足现实的条件。此外,源项 ε 方程不再相关 G k 。雷诺应力项不出现在方程,这是有利于代表不同尺度之间的能量谱的转移。

3.3。边界条件

模拟的边界条件如下所示:

解算器的选择是基于一个三维形式的压力,隐式差分格式,激活能量方程。

的可实现的 k - - - - - - ε 选择湍流模型进行数值计算,适用于螺旋盘管。

靠近墙采用Standard-Wall-Functions治疗。

采用简单的算法对压力和速度的耦合。

压力松弛因子设置为0.3。设置为残余能量 1 0 - - - - - - 6

应用动量、能量和湍流二阶逆风方案。

入口条件被应用为速度入口。根据实际的工作条件,参考入口速度是12.45米/秒,这是由防冰液的最大通量计算。然后,四个不同的入口速度设置成模拟。管壁的热边界条件采用统一的壁温,这是常数,373 K。不适应墙面wall-slip条件。出口设置为出口的压力。工作介质在入口的温度设置为278 K。

调查高粘度的影响防冰液在TCHC传热,水模拟首先对比。简化复杂ethylene-glycol-based混合物,防冰液的主要成分,乙二醇。UDF的模型是用来编译乙二醇的粘温功能。其他物理参数需要设置为常数,如密度 ρ ,比热容 c P ,热导率 k d 。管的材料是钢310。物理参数如表所示 3

工作介质的物理参数和材料的管。

工作介质 乙二醇 钢310

密度 ρ (公斤⋅米−3) 998.2 1111.4 8030.0

热导率 k d (W⋅米−1⋅K−1) 0.600 0.252 16.270

比热容 c p (J⋅公斤⋅K−1) 4182.00 2415.00 502.48

动态粘滞度 μ (公斤⋅米−1⋅年代−1) 0.001003
4所示。模拟与水

实际工作条件的基础上,入口速度设置为5 m / s, 7.5 m / s, 10 m / s, 12.5 m / s, 15米/秒计算TCHC和原始管的出口温度。作为理想流体,选择水作为对比防冰液粘度的影响。选择出口温度作为评价指标。当出口温度较高,传热性能较好。

4.1。环筋的数量

考虑环筋的数量如何影响传热,水的出口温度 ( T w ) 分析了TCHC和原管在不同入口速度。传热过程的结果在图进行了总结 5

水的出口温度与不同数量的TCHC环筋。

见图 5没有,所有的出口温度。2,没有。3,没有。4管高于没有。1管。当环筋数量的增加,温度升高会趋于平缓。因此,出口温度不能保持上升当环筋的数量超过一定的限制。Ring-rib流状态通过增加径向速度变化。温度场基本上仍然径向。基于场协同原理,ring-rib可以通过改善提高传热速度和温度场之间的协调。

4.2。入口速度

从上面的讨论,出口温度受入口速度的影响。为了研究不同速度的影响,水的出口温度的差异 ( Δ T w ) 显示在图 6 (6) Δ T w = T w - - - - - - T w j , 在哪里 , j 不同入口速度的数字。

出口温度的不同趋势的水在不同进口速度。

从图 6, Δ T w 的没有。1管是高于TCHC,特别是在低入口速度(< 10 m / s)。相同的管,入口速度增加时,出口温度变得更低。水通过管花费更少的时间。缩短加热时间直接影响到出口温度。

Δ T w 所有管子的往往是平在一个高速度范围图 6 Δ T w TCHC变化大大不如原来的管。因为ring-rib, TCHC由入口速度的影响较小而原始的管。

5。模拟与防冰液 5.1。防冰液的粘温装置

防冰液复杂ethylene-glycol-based混合物。热物理性质变化的非线性和温度。因此,防冰液主要成分简化,乙二醇。指的是实验中,粘度和温度之间的变化是在桌子上 4

乙二醇的粘度与温度的变化。

温度(K) 267年 273年 289年 293年 313年 333年 373年

粘度(mPa⋅s) 86.9 53.5 25.7 22.1 10.2 5.2 1.7

考虑不同的函数形式,幂函数的拟合是最符合实际的点。乙二醇的粘度降低非线性增加的温度。拟合曲线显示在图中 7。方程( 7)是来自粘度和温度之间的关系。

乙二醇的粘温的拟合。

的幂函数拟合计算 (7) μ = 8 × 1 0 29日 · T - - - - - - 11.56

5.2。环筋的数量

乙二醇的出口温度 ( T e ) 呈现在图 8 T e 当环筋数量的增加逐渐上升。相比之下,图 5, T e 上升不到 T w 一般来说。传热高粘度成反比,因为它变稠流体的边界层。当入口速度的增加, T e 通常减少由于加热时间缩短。此外,对乙二醇和水,TCHC传热增强所能达到的水平。

乙二醇的出口温度与不同数量的TCHC环筋。

5.3。入口速度

乙二醇的温差 ( Δ T e ) 随着入口速度变化。的倾向 Δ T e 如图 9

乙二醇的出口温度差异趋势在不同进口速度。

类似于水, Δ T e 可以计算为 (8) Δ T e = T e - - - - - - T e j

如图 9,因为高粘度和温度之间的幂函数关系, Δ T e 多变化很大 Δ T w 相比之下,图 6(特别是7.5米/ s-10 m / s)。 Δ T e 所有管子的往往是平坦的高速度范围内。

6。讨论了场协同原理

场协同原理是一种新型的传热强化理论。协调速度场和温度场之间的传热增强[有积极影响 5, 6]。方程( 9)给出了更一般的洞察力在对流换热。有两种方法可以提高传热:(a)增加雷诺兹和/或普朗特数;(b)增加价值的无量纲集成( 4]。 (9) N u x = R e x 公关 0 1 U ¯ · T ¯ d y ¯

U ¯ · T ¯ 在无量纲集成( 9)可以表示为 (10) U ¯ · T ¯ = U ¯ T ¯ 因为 β , 在哪里 β 之间的夹角是速度矢量与温度梯度(热流矢量)。

10草图的出口速度场。1和4号管在同一入口速度。在没有运动。4管是没有比这更明显。1管。因为ring-rib,流体运动是加强TCHC从墙到中心。Ring-rib变化速度场打破流动边界层的厚度。见图 10,在TCHC混合流,所以温度分布更加均匀。TCHC有效地提高了速度和温度场的协调。出于这个原因,TCHC传热增强所能达到的水平。

出口速度场。(一)没有。1管和(b)。4管。

7所示。加热实验

原管进行加热实验。实验结果显示在图 11。在稳定工况,出口温度 ( T e x p ) 基本上是稳定在350 K。

加热实验的原始管。

错误( δ )之间的实验和仿真可以表示为 (11) δ = T w - - - - - - T e x p T e x p × One hundred. %

通过计算, δ 小于5%;因此,实验验证数值方法的正确性。在相同的工作条件,TCHC的出口温度与实验数据相比增加了3.76%。因此,TCHC更好的传热性能比原来的管。

8。结论

将原来的螺旋盘管改造成TCHC基于场协同原理。防冰液的传热分析TCHC和原始的管。水被选中作为一个与防冰液粘度的影响。出口温度选择评价指标。环筋的数量和入口速度是两个关键参数对传热性能。结果总结如下:

环筋的数量和入口速度都可以大大影响传热。对水和乙二醇,出口温度上升时环筋的数量增加到一定限度。然而,速度的增加减少加热时间,从而导致更低的出口温度。

高粘度成反比传热流体的粘度增厚边界层。乙二醇的出口温度上升是不那么明显的水。

水和乙二醇在TCHC更有效的加热与原管。Ring-rib改变了速度场基于场协同原理。结果是,TCHC提高了速度场和温度场之间的协调。

实验和模拟之间的误差小于5%。相比TCHC出口温度的增加3.76%的原始管。

一般来说,TCHC增强传热高粘度液体防冰。因此,TCHC有利于除冰效率和飞行守时。

命名法 ρ :

密度(公斤/米3)

U :

速度矢量

P :

压力(Pa)

τ :

粘性应力张量

F :

额外的体积应力

u :

内部能量

k d :

导热系数(W / m·K)

T :

温度(K)

T w :

出口温度的水(K)

Δ T w :

水的温差(K)

T e :

出口温度的乙二醇(K)

Δ T e :

温差的乙二醇(K)

T e x p :

出口温度的实验(K)

, j :

不同入口速度的数量

δ :

实验和模拟之间的误差(%)

Φ :

粘性耗散项

k :

湍流动能

ε :

湍流耗散率

u :

平均速度分量

μ :

动态粘度(公斤/ m·s)

μ t :

湍流涡粘性(公斤/米·s)

G b :

湍流动能由于浮力

Y :

脉动膨胀术语

G k :

由于速度梯度压力源项

年代 j :

速度应变率张量

ν :

运动粘度(m2/秒)

d :

螺旋盘管的内径(米)

D :

外直径螺旋盘管(米)

h :

Ring-rib高度(米)

再保险:

雷诺数

公关:

普朗特数

ν:

努塞尔特数。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

本研究天津市自然科学基金资助(15 jcqnjc42900),中国国家自然科学基金(51505483),和中央大学的基础研究基金(3122013 c012)。

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