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螺纹螺旋管强化传热的数值模拟及场协同分析

作　者: 淦吉昌
导　师: 胡兆吉
学　校: 南昌大学
专　业: 化工过程机械
关键词: 螺纹螺旋管传热与流动场协同污垢数值模拟
分类号: TK124
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

能源是对国家战略、经济以及社会稳定具有决定性影响的强政治、大战略特性物质,寻求可持续的能源发展战略和先进的节能减排技术以应对当前的能源与环境问题越来越受到世界各国的高度重视。多头错向旋流式换热器是为适应新形势发展要求而研发出来的一种新型高效换热器,其采用的螺纹螺旋管是一种新型的换热元件,目前很少有关于螺纹螺旋管换热与流动研究的报道。论文根据计算流体动力学和数值传热学理论建立起螺纹螺旋管传热与流动的三维数学模型。对多种流体介质,在宽广的雷诺数范围内,采用数值模拟的方法对螺纹螺旋管管内强化传热与流动进行了研究,分析了螺纹螺旋管管内传热与流动的规律,为其在实际工业中的设计和应用提供理论支持。首先,运用FLUENT软件对光管的传热与流阻性能进行了数值模拟,验证了所用数学模型和计算方法的可行性,在验证可行性的基础上对螺纹螺旋管进行了大量的数值模拟研究。对所得数据进行处理和分析,探讨了雷诺数、曲率、螺距、槽深、槽距以及流体物性参数对螺纹螺旋管传热与阻力性能的影响,得出了一系列有益的结论。通过回归分析,得到了螺纹螺旋管传热与阻力性能的准则关联式。其次,从速度场与温度场相互协同的角度,对螺纹螺旋管强化传热的内在机制进行了进一步研究。以场协同角作为强化传热场协同性的评价指标,探讨了结构参数对螺纹螺旋管场协同性的影响。结果表明,场协同分析得出的结论与螺纹螺旋管传热与流动的规律完全一致,利用强化传热场协同原理可以解释结构参数的变化对螺纹螺旋管传热性能的影响。最后,还结合场协同原理对螺纹螺旋管污垢性能进行了研究。结果表明,相同工况下,螺纹螺旋管较光管具有更优越的抗结垢性能。随着污垢沉积厚度的增加,场协同角在不断增大,螺纹螺旋管的换热性能在下降。污垢的存在严重影响了螺纹螺旋管的强化传热效率,本文据此提出了换热管污垢预防的三点建议,以提高换热元件抗结垢性能。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-9
第1章绪论  9-24
  1.1 课题背景及意义  9-11
  1.2 强化传热技术概述  11-13
    1.2.1 强化传热的途径  11
    1.2.2 提高传热系数的方法  11-13
  1.3 国内外对螺旋管内传热与流动的相关研究  13-17
    1.3.1 国外相关研究  13-15
    1.3.2 国内相关研究  15-17
  1.4 换热设备污垢的相关研究  17-19
  1.5 强化传热场协同理论的相关研究  19-21
  1.6 计算机数值模拟技术  21-22
  1.7 本文的主要研究内容  22-24
第2章螺纹螺旋管强化传热数值模拟的理论模型  24-33
  2.1 螺纹螺旋管管内传热与流动的数学模型  24-28
    2.1.1 基本假设  24
    2.1.2 控制方程  24-26
    2.1.3 湍流模型  26-27
    2.1.4 边界条件  27-28
  2.2 计算模型的建立与求解  28-32
    2.2.1 几何模型的建立  28-30
    2.2.2 网格的划分  30-31
    2.2.3 流体的物性参数  31
    2.2.4 边界条件的设置  31
    2.2.5 求解控制参数的设置  31-32
    2.2.6 初始条件  32
  2.3 本章小结  32-33
第3章螺纹螺旋管传热与流动数值模拟结果与分析  33-58
  3.1 数值模拟可靠性验证  33-34
  3.2 螺纹螺旋管传热与流动数值模拟流场分析  34-47
    3.2.1 速度场分布  34-41
    3.2.2 温度场分布  41-44
    3.2.3 压力场分布  44-47
  3.3 结构参数和流动工况对螺纹螺旋管传热与流动的影响  47-55
    3.3.1 曲率的影响  47-48
    3.3.2 螺距的影响  48-50
    3.3.3 槽深的影响  50-51
    3.3.4 槽距的影响  51-53
    3.3.5 流体物性的影响  53-54
    3.3.6 雷诺数的影响  54-55
  3.4 不同异形强化传热管的对比分析  55-56
  3.5 螺纹螺旋管数值模拟结果的关联式  56-57
  3.6 本章小结  57-58
第4章螺纹螺旋管强化传热的场协同分析  58-68
  4.1 强化传热场协同理论分析  58-60
    4.1.1 场协同原理的基本思想  58-59
    4.1.2 场协同理论的评价指标  59-60
  4.2 数值模拟的条件  60-61
  4.3 数值模拟结果与分析  61-63
  4.4 结构参数和流动参数对螺纹螺旋管场协同的影响  63-67
    4.4.1 曲率的影响  63-64
    4.4.2 螺距的影响  64
    4.4.3 槽深的影响  64-66
    4.4.4 槽距的影响  66
    4.4.5 雷诺数的影响  66-67
  4.5 本章小结  67-68
第5章螺纹螺旋管污垢性能的数值模拟  68-75
  5.1 污垢数值模拟的指导思想  68-69
  5.2 数值模拟的条件  69
  5.3 污垢性能数值模拟结果与分析  69-73
    5.3.1 螺纹螺旋管与光管污垢性能对比  69-72
    5.3.2 流速对污垢性能的影响  72-73
  5.4 污垢对螺纹螺旋管场协同的影响  73
  5.5 换热管污垢预防的建议  73-74
  5.6 本章小结  74-75
第6章结论与展望  75-78
  6.1 主要结论  75-77
  6.2 本文展望  77-78
致谢  78-79
参考文献  79-83
攻读学位期间的研究成果  83

螺纹螺旋管强化传热的数值模拟及场协同分析

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