热通量对流传输方程框架下的涡流管中能量分离原理研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    51776093
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    62.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    E0603.传热传质学
  • 结题年份:
    2021
  • 批准年份:
    2017
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2018-01-01 至2021-12-31

项目摘要

The vortex tube is a device which can separate hot and cold air streams from compressed air simultaneously. It is widely applied in such fields as heating, cooling, and separating of gas mixtures because of its various advantages. In spite of the simple geometry of the vortex tube, its real physical processes and the energy separation nature are far from being fully understood, and there is no theory can explain consistently the energy separating mechanism in the vortex tube. Because the theoretical value of the coherent energy separation in the vortex tube is very large, as well as the vortex tube has great potential applications, it is definitely worth to further investigate the mechanism of energy separation in the vortex tube. In view of the above mentioned facts, this project tries to cast the heat transfer processes occur in the vortex tube into a frame of the convective transport equation of the heat flux, to separate the contributions to the transport of the heat flux enforced by the different movements of the small fluid element. It is expected to find out the mechanism of the energy separation in the vortex tube from the process information provided by the convective transport equation of the heat flux. To realize the above mentioned intention the theoretical, experimental and numerical methods are used to analyze the mechanism of the energy separating in the vortex tube from the aspects followed. (1) The convective transport equation of the heat flux that is suitable to the vortex tube will be found. (2) The experimental method is used to find out the effect of the wall curvature on the turbulence wall law of the concave wall, based on such effect a modified turbulence k-ε model should be established, furthermore, the heat transfer field distribution characteristics and the vorticity field distribution characteristics will be obtained using a numerical method based on modified turbulence k- ε model. (3) The separating process of the contributions the different movements of the small fluid element to the transport of the heat flux is performed. (4) The contribution of vorticity to the transport of the heat flux will be summarized and the main factors influencing the energy separation will be analyzed, based on results formed in this process, the mechanism of the energy separation in the vortex tube can be summarized. The results of this project will reveal in-depth the energy separation mechanism in the vortex tube, and also provide theoretical support for promoting the energy separation efficiency in the vortex tube. Furthermore, the results obtained can be used in the other cases that use vorticity to enhance heat or mass transfer.
涡流管是一种能够将压缩空气同时分离出冷热气流的装置,被广泛应用于制冷、制热、混合物分离等领域。发生在管内的能量分离机理极其复杂,至今没有一种理论能够从本质上解释该现象。究其原因是现有解释基于对流传热能量方程,该方程只描述了传热的结果,所提供的传热过程信息较少。近来发展的热通量对流传输方程能提供较丰富的传热过程信息。为此,项目拟在热通量对流传输方程框架下研究涡流管中能量分离机理。项目拟开展4方面的研究:(1) 推导涡流管热通量对流传输方程;(2) 用实验得到壁面曲率对湍流壁面律的影响,进而获得考虑壁面曲率影响的修正k-ε模型;(3)分离涡流管中流体微元运动形式对热通量各分量传输的贡献;(4) 归纳涡流管中涡量对传热贡献规律,形成涡流管内能量分离机理。研究结果不但可揭示对流传热现象内在机理,还能为提高涡流管能量分离效率提供理论依据,同时,还能为其它用涡量实现强化传热传质装置的设计提供理论依据。

结项摘要

涡流管是一种能够将压缩空气同时分离出冷热气流的装置,被广泛应用于制冷、制热、混合物分离等领域。发生在管内的能量分离机理极其复杂,出现热量从低温向高温传输的现象,表面上与热力学第二定律相悖,但因在涡流管内高品位能量的消耗,实际上熵是增加的,从而并不违背热力学第二定律。遗憾的是至今没有一种理论能够从本质上解释该现象。项目在热通量对流传输方程框架下研究涡流管中能量分离机理。项目推导涡流管热通量对流传输方程;用方程严格的描述了涡量对热通量对流传输的贡献:在涡流管内,热通量总是沿着指向中心的半径方向,而涡量的贡献就是推动热通量沿径向传输;通过分离涡流管中流体微元运动形式对热通量各分量传输的贡献,归纳出了涡流管中涡量对传热贡献规律,形成涡流管内能量分离机理:能量分离过程需要两个基本过程,其一是在管子中心气体的膨胀过程,气体要能释放出内能使其温度降低,形成沿指向圆心半径方向的热通量,向其二是气体要有较大的涡量,在涡量对热通量对流传输贡献的作用下,对流把热通量沿半径方向传输。形成了涡量管内的能量分离。. 由于项目涉及很有争议的物理现象,有较强创意及新意的研究结果不太容易得到审稿人的认同,发表比较艰难。目前还有一技术问题没有确认(正在进行中)。该技术问题是气体在涡流管内膨胀所做的机械功是如何传输的?. 项目基本上完成了预设的研究目标,项目部分究成果正在整理发表中,已在国内外发表标注期刊论文和会议论文 22 篇,已 被 SCI 收录 5 篇,EI 收录 3 篇;获得国外发明专利 6 项;出版英文专著一部。获甘肃省科学技术进步一等奖一项。培养硕士研究5名,博士研究生3名。. 该项目的研究结果意义较大,不光是增加对对流传热的理解,其结果也可为其它领域做出借鉴。因为在天体物理中有非常类似涡流管内物理现象的现象。吸积盘中有热量从低温传向高温的现象,目前的理论能证明这一过程是熵增的,但还不能解释这一看似反常的物理现象是如何形成的。

项目成果

期刊论文数量(11)
专著数量(1)
科研奖励数量(1)
会议论文数量(12)
专利数量(5)
The convective heat transfer characteristics of the track surface on which wheels roll over periodically
车轮周期性滚动的轨道表面的对流换热特性
  • DOI:
    10.1016/j.ijthermalsci.2021.106947
  • 发表时间:
    2021-07
  • 期刊:
    International Journal of Thermal Sciences
  • 影响因子:
    4.5
  • 作者:
    Le-Li Wang;Lu Wang;Zheng Xia Gao;Liang-Bi Wang;Ye Wang
  • 通讯作者:
    Ye Wang
Convective heat transfer enhancement mechanisms in circular tube inserted with a type of twined coil
插入缠绕盘管的圆管内的对流传热强化机制
  • DOI:
    10.1016/j.ijheatmasstransfer.2021.120960
  • 发表时间:
    2021-04
  • 期刊:
    International Journal of Heat and Mass Transfer
  • 影响因子:
    5.2
  • 作者:
    Wei Dang;Liang-Bi Wang
  • 通讯作者:
    Liang-Bi Wang
Parametrization of secondary flow intensity for laminar forced convection in twisted elliptical tube and derivation of loss coefficient and Nusselt number correlations by numerical analysis
扭曲椭圆管内层流强制对流二次流强度的参数化以及通过数值分析推导损失系数和努塞尔数相关性
  • DOI:
    10.1016/j.ijthermalsci.2020.106425
  • 发表时间:
    2020-09-01
  • 期刊:
    INTERNATIONAL JOURNAL OF THERMAL SCIENCES
  • 影响因子:
    4.5
  • 作者:
    Guo, An-Ning;Wang, Liang-Bi
  • 通讯作者:
    Wang, Liang-Bi
The performances of circular tube bank fifin heat exchangers with fifins punched with quadrilateral vortex generators and flflow re-distributors
四边形涡流发生器和流再分配器冲制翅片的圆管束翅片换热器的性能
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    Applied Thermal Engineering
  • 影响因子:
    6.4
  • 作者:
    Wei Dang;JaafarNugud;Zhi-Min Lin;Yong-Heng Zhang;Song Liu;Liang-Bi Wang
  • 通讯作者:
    Liang-Bi Wang
The mechanism of laminar convective heat transfer enhancement enforced by twisting of elliptical tube
椭圆管扭转强化层流对流换热机理
  • DOI:
    10.1016/j.ijheatmasstransfer.2020.119961
  • 发表时间:
    2020-08
  • 期刊:
    International Journal of Heat and Mass Transfer
  • 影响因子:
    5.2
  • 作者:
    An-Ning Guo;Liang-Bi Wang
  • 通讯作者:
    Liang-Bi Wang

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  • 作者:
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  • 通讯作者:
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    王良璧
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  • 发表时间:
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  • 作者:
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  • 通讯作者:
    王良璧

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王良璧的其他基金

高速列车关键热物理基础问题研究
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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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