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波纹管和毛细管内液氮流动和换热特性研究

作　者: 孙凤玉
导　师: 张鹏
学　校: 上海交通大学
专　业: 制冷及低温工程
关键词: 波纹管湍流压力损失摩擦系数毛细管自然对流换热
分类号: TB611
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

随着超导技术的发展,高温超导电缆在电力输运中逐渐得到重视并进行了广泛的研究。由于波纹管具有良好的柔韧性和收缩性,在高温超导电缆中得到应用。波纹管内的流动压力损失参数是高温超导电缆低温容器的主要的设计参数,这是因为压力损失决定了高温超导电缆的结构强度、循环压力以及液氮泵的功率。所以研究波纹管内的流动特性具有重要意义。为此,对通径为6 ,8mm和10mm的波纹管内液氮、氮气和水的流动特性进行了实验研究,为了更好分析波纹管内的流动特性,对波纹管内液氮的流动特性进行了数值计算。为了进行波纹管内液氮流动特性的实验研究,制作了波纹管实验段,实验段的真空绝热结构,搭建了实验台。测量了液氮在通径为8波纹管内的流动压降。分析发现:在10000～25000的雷诺数范围内,液氮在波纹管内流动具有波动性,压力损失随雷诺数的增大而增大,要远大于光管的压力损失。为了对比分析不同流体在波纹管内的流动特性,搭建了氮气和水在波纹管内流动实验台。测量了氮气和水在通径为6 ,8和10mm的波纹管内流动压降。分析表明:在4000～40000的雷诺数范围内,压力损失随质量流量的增大而增大。在同一质量流量下,压力损失由大到小依次为DN6﹥DN8mm﹥DN10。压力损失随雷诺数的增大而增大。在同一雷诺数下,压力损失由大到小依次为DN6﹥DN8﹥DN10。波纹管的摩擦系数要高于光管的摩擦系数。摩擦系数随波纹高度的减小而减小。对比发现:在波纹管内液氮、氮气和水的流动特性类似。不同的是:在同雷诺数下,液氮的压力损失介于水的压力损失和氮气的压力损失之间,但是水的摩擦系数却要小于氮气的摩擦系数。为了进一步研究液氮在波纹管内的流动特性,应用FLUENT软件对液氮在波纹管内的流动特性进行了数值计算,得到了液氮在不同波纹管内流动的压力、速度分布,并对结果进行了详细的分析。分析表明:压力损失随入口速度的增大而增大;在波纹管的波纹的前端和后端具有不同的压力梯度分布,并且后端处的压力要高于前端处的,在波纹内形成了涡旋流;在所考察的40000～200000雷诺数范围内,雷诺数对摩擦系数的影响不大,而波纹尺寸对摩擦系数具有主要的影响。摩擦系数随s/t的增大而减小。液氮是冷却超导体的最佳工质。高温超导体的形状多种多样,其中包括丝状,出于紧凑的考虑,对高温超导细丝的冷却可采用毛细管。为此,本文还研究了毛细管管径以及倾角对其内的加热丝与液氮的换热效果的影响。应用FLUENT软件对0°、30°、60°、90°倾角下管径为1.2和2.0的毛细管内的加热丝与液氮的换热情况进行了数值计算,得到了管内液氮的速度、温度以及加热丝的温度分布情况。计算结果表明倾角为30°和60°的换热效果最好,大管径的换热情况要比小管径的换热效果好。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-11
第一章绪论  11-24
  1.1 研究背景和意义  11-13
  1.2 国内外研究现状及分析  13-22
    1.2.1 高温超导电缆的结构  13-14
    1.2.2 液氮在非波纹管内的流动换热研究  14-16
    1.2.3 波纹管内流动换热研究  16-22
    1.2.4 液氮在波纹管内的流动换热研究现状  22
  1.3 本文主要研究工作  22-24
第二章波纹管内流动特性实验系统装置  24-42
  2.1 实验系统  24-33
    2.1.1 液氮实验系统  24-32
    2.1.2 氮气实验系统  32
    2.1.3 水实验系统  32-33
  2.2 实验段  33-34
  2.3 测量元件、方法和数据采集  34-35
    2.3.1 测量元件与方法  34-35
    2.3.2 数据采集  35
  2.4 实验方法  35-36
    2.4.1 液氮实验方法  35-36
    2.4.2 氮气实验方法  36
    2.4.3 水实验方法  36
  2.5 实验数据处理  36-39
  2.6 实验系统不确定度分析  39-40
  2.7 本章小结  40-42
第三章波纹管内流动特性的实验结果分析  42-59
  3.1 液氮的流动压降特性  42-43
    3.1.1 液氮瞬时流动特性分析  42-43
    3.1.2 压降和雷诺数  43
  3.2 氮气的流动压降特性  43-49
    3.2.1 压降和质量流量  43-45
    3.2.2 压降和雷诺数  45-47
    3.2.3 摩擦系数  47-49
    3.2.4 实验数据拟合  49
  3.3 水的流动压降特性  49-54
    3.3.1 压降和体积流量  49-50
    3.3.2 压降和雷诺数  50-52
    3.3.3 摩擦系数  52-53
    3.3.4 实验数据的拟合  53-54
  3.4 对比分析  54-57
    3.4.1 压降和雷诺数  54-55
    3.4.2 摩擦系数和雷诺数  55-57
    3.4.3 流体物性  57
  3.5 本章小结  57-59
第四章波纹管内液氮流动特性的数值计算分析  59-77
  4.1 数值计算概述  59-65
    4.1.1 CFD求解过程  59-60
    4.1.2 离散格式  60-62
    4.1.3 湍流模型  62-65
  4.2 波纹管内流动模型的建立  65-67
    4.2.1 物理模型  65
    4.2.2 数学模型  65-67
  4.3 数值计算过程  67-68
  4.4 数值计算结果及分析  68-76
    4.4.1 湍流模型的比较  68
    4.4.2 流场分布  68-71
    4.4.3 雷诺数的影响  71-73
    4.4.4 波纹管几何外形的影响  73-76
  4.5 本章小结  76-77
第五章毛细管内液氮自然对流换热的数值计算分析  77-89
  5.1 引言  77-78
  5.2 数学模型与数值模拟  78-80
    5.2.1 问题描述  78
    5.2.2 控制方程组与边界条件  78-79
    5.2.3 物理模型的建立及数值模拟  79-80
  5.3 计算结果及分析  80-88
    5.3.1 倾角的影响  80-85
    5.3.2 管径的影响  85-86
    5.3.3 数值计算结果与实验值的比较  86-88
  5.4 本章小结  88-89
第六章总结与展望  89-91
  6.1 总结  89-90
  6.2 展望  90-91
参考文献  91-99
致谢  99-100
攻读学位期间发表的学术论文  100-102

波纹管和毛细管内液氮流动和换热特性研究

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