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通道湍流换热强化的数值与实验研究

作　者: 李晓伟
导　师: 过增元
学　校: 清华大学
专　业: 动力工程及工程热物理
关键词: 湍流换热强化换热传热优化微肋管
分类号: TK124
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
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引　用: 9次
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内容摘要

能源问题是当今世界面临的首要问题,而近年来我国的能源问题尤为突出。强化传热技术可以通过提高换热器的热量传递性能而提高能源利用效率,从而达到节约能源的目的。本文首先分析了低雷诺数及充分发展湍流的换热强化机理,然后在此基础上提出和研究了一种用于板式换热器的新型强化换热板片,并对管内二维粗糙元和微肋管的湍流换热强化进行了深入的研究。低雷诺数和充分发展湍流换热强化分析指出,通道层流换热横截面上的温降比较均匀,因此要在整个截面内增加横向速度来强化换热,大尺度纵向涡是一种很好的同功耗换热强化方法(由纵向涡强化后的流动是低雷诺数湍流流动);充分发展湍流(Re>10000)的温降集中在壁面附近,因此要在壁面设置粗糙元增加壁面湍流度来强化换热。当粗糙元高度小于粘性底层厚度时几乎不强化换热也不增加阻力,而大于5倍粘性底层厚度后,强化换热不再增加但阻力迅速增加,粗糙元为2~3倍粘性底层厚度时同功耗条件下换热强化最佳。提出了用于板式换热器的新型不连续交叉肋板片。数值分析和流动显示实验表明,不连续交叉肋板片间产生了包括前纵向涡、后纵向涡及主纵向涡等一系列纵向涡,揭示了其强化换热的物理机制。不连续交叉肋板片比目前常用的人字形板片同功耗换热强化25%以上。用数值计算和流动显示实验方法对肋参数对流动和换热的影响进行了分析,给出了不连续交叉肋板片的最佳结构参数。用二维粗糙元管进一步实验研究了充分发展湍流换热强化机理。二维粗糙元管与光滑圆管的努谢尔数比随雷诺数的增加存在极值。粗糙元和粘性底层高度定量分析表明,粗糙元为2~3倍粘性底层厚度时同功耗换热强化最佳。微肋管的数值和实验研究表明,微肋管存在强化换热临界雷诺数,把微肋管的换热分为强化区和非强化区。对于普朗特数很大的流体,因为导热底层厚度的减小,使其强化换热临界雷诺数减小。在非强化区内,努谢尔数对普朗特数的依赖关系约为0.3次方,而在强化区内约为0.56次方。螺旋微肋在Re>30000后通过增强肋表面的湍流度强化换热,直微肋则不能增加湍流度,从而也不能强化换热(Re=10000~90000)。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-9
主要符号对照表  9-14
第1章引言  14-36
  1.1 研究背景  14-18
    1.1.1 强化传热及其意义  14-15
    1.1.2 换热器介绍  15-18
  1.2 研究现状  18-34
    1.2.1 平板间低雷诺数流动换热强化方法  19-24
    1.2.2 管内充分发展湍流换热的强化方法  24-31
    1.2.3 纵向涡强化换热技术  31-32
    1.2.4 强化换热理论与评价准则  32-34
  1.3 本文研究内容  34-36
第2章低雷诺数及充分发展湍流换热强化的机理分析  36-60
  2.1 低雷诺数湍流换热强化分析  36-42
    2.1.1 低雷诺数湍流换热的场协同分析与纵向涡强化换热技术  36-39
    2.1.2 平板通道内纵向涡强化换热结构的选择  39-42
  2.2 充分发展湍流换热强化分析  42-58
    2.2.1 经典的充分发展湍流理论  42-47
    2.2.2 壁面粗糙元湍流换热强化  47-54
    2.2.3 普朗特数对粗糙元湍流换热强化的影响  54-58
  2.3 本章小结  58-60
第3章不连续交叉肋板片间流动与换热的数值研究  60-80
  3.1 不连续交叉肋板片及其板式换热器  60-62
  3.2 不连续交叉肋板片间流动与换热的数值分析  62-73
    3.2.1 数值计算模型与方法  62-68
    3.2.2 数值计算结果  68-73
  3.3 板片的几何参数对流动和换热的影响  73-79
    3.3.1 肋高的影响  73-75
    3.3.2 肋长的影响  75-77
    3.3.3 肋宽的影响  77-79
  3.4 本章小结  79-80
第4章不连续交叉肋板片间流动与换热的实验研究  80-108
  4.1 不连续交叉肋板片间流动显示实验  80-90
    4.1.1 流动显示实验方法简介  80-81
    4.1.2 流动显示实验系统  81-83
    4.1.3 流动显示实验结果  83-90
  4.2 不连续交叉肋板片间换热与阻力的测量  90-107
    4.2.1 换热及阻力测量实验系统  90-98
    4.2.2 实验及数据处理方法  98-100
    4.2.3 换热及阻力测量结果  100-107
  4.3 本章小结  107-108
第5章管内粗糙元强化换热的实验研究  108-128
  5.1 单管对流换热实验系统  108-114
    5.1.1 实验装置  108-111
    5.1.2 实验与数据处理方法  111-112
    5.1.3 圆管验证实验  112-114
  5.2 不同高度粗糙元强化换热的实验研究  114-127
    5.2.1 不同高度二维粗糙元管的加工  115-117
    5.2.2 不同高度二维粗糙元管的实验结果  117-127
  5.3 本章小结  127-128
第6章微肋管内流动与换热的数值与实验研究  128-147
  6.1 微肋管阻力与换热的实验测量  128-134
    6.1.1 微肋管及其实验系统  128-129
    6.1.2 微肋管换热及阻力实验结果  129-134
  6.2 微肋管流动与换热的数值计算  134-146
    6.2.1 数值计算模型与方法  134-136
    6.2.2 数值计算结果  136-146
  6.3 本章小结  146-147
第7章结论  147-149
参考文献  149-160
致谢  160-161
附录 A 热电偶不同敷设方法及偶丝直径产生的测温误差  161-162
附录 B 热电偶的标定  162-165
附录 C 平板通道实验误差分析  165-166
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  166-167

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