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混沌翅片流道抗结垢性能的研究

作　者: 刘娟
导　师: 刘敏珊
学　校: 郑州大学
专　业: 热能工程
关键词: 换热设备混沌翅片流道停留时间分布抗结垢数值模拟
分类号: TQ051.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

随着社会进步和经济发展,能源危机已经成为世界各国面临的重大难题之一。换热设备是石油、化工、动力、能源、冶金、航空、车辆、制冷、食品等许多高耗能工业部门广泛使用的工艺设备。在众多热力系统的投资中,换热设备占有较大比重,其性能的好坏直接关系到经济效益的高低。然而,大多数换热设备都存在着不同程度的污垢问题。由于污垢的存在,使得换热设备的传热能力下降,介质流动阻力增大,从而造成了一系列的经济损失,因此,换热设备的结垢问题受到了各国研究者的广泛关注。板翅式换热器是一种高效换热设备,具有结构紧凑、轻巧、传热效率高等许多优点。然而由于其流道狭小,在相同的条件下结垢对其性能的影响较一般类型换热设备更为严重。针对这种情况,本文研究了一种能够产生混沌流的流道(混沌翅片流道),采用了理论分析、数值模拟和实验研究三者相结合的方法,对该流道的抗结垢性能进行研究。结合传质的特点,将反应器内研究混合情况的停留时间分布(RTD)概念引入流道抗结垢研究中,介绍了贝克列准数Pe的物理含义。同时,通过贝克列准数Pe与传热及传质之间联系指出了贝克列准数Pe是衡量管内对流传质的重要标志参数,并对其抗结垢效果做了定量分析,揭示了其在抗结垢方面应用的优越性。采用数值计算方法,应用大型FLUENT软件对混沌翅片流道内的流动性能进行数值模拟计算。模拟了流体在该混沌翅片流道内随流动的发展情况,流道内流体的雷诺数Re、普朗特数Pr、流道几何尺寸对流动及抗结垢性能的影响,并且与三角形直翅片流道进行了对比。结果表明,该混沌翅片流道具有较好的抗结垢性能。根据数值计算结果,拟合出了贝克列数Pe和流体及流道几何参数之间的准数关联式,为该类型流道在抗结垢方面的工程实际应用提供一定的参考。在本文的最后对这种流道的抗结垢性能进行了实验研究。实验结果表明,它与数值模拟结果相一致,从而证明了数值模拟的正确性和可靠性。总之,这种流道在抗结垢方面将具有广阔的应用和发展前景。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-7
目录  7-10
第一章绪论  10-26
  1.1 引言  10-12
  1.2 混沌及其混沌流  12-13
    1.2.1 混沌及其发展  12-13
    1.2.2 混沌流及混合作用  13
  1.3 污垢对换热设备的影响及其研究意义  13-14
    1.3.1 污垢对换热设备的影响  13-14
    1.3.2 污垢的研究意义  14
  1.4 污垢的国内外研究进展  14-19
  1.5 污垢的分类及形成过程  19-23
    1.5.1 污垢的分类  19-20
    1.5.2 污垢的形成过程及机理  20-23
  1.6 污垢防治对策研究  23-25
    1.6.1 化学法防垢机理  23-24
    1.6.2 物理法防垢机理  24-25
  1.7 本文研究的内容  25-26
第二章数值模拟的理论基础  26-40
  2.1 流体流动的基本方程  26-30
    2.1.1 质量守恒方程  26-27
    2.1.2 动量守恒方程  27-30
  2.2 计算流体动力学(CFD)简介  30-32
  2.3 数值模拟工具简介  32-33
  2.4 停留时间分布(RTD)  33-34
  2.5 贝克列数Pe与传质之间的关系  34-36
  2.6 贝克列数Pe与传热之间的关系  36-39
    2.6.1 对流传热基本定律  36
    2.6.2 对流传热问题的数学描述  36-37
    2.6.3 对流传热过程的相似分析  37-39
  2.7 本章小结  39-40
第三章数值模拟的主要技术路线  40-46
  3.1 停留时间分布(RTD)数值模拟模型  40-41
  3.2 RTD算例及分析  41-45
    3.2.1 物理模型  42-43
    3.2.2 数学模型  43
    3.2.3 混沌翅片流道与三角形直翅片流道的比较  43-45
  3.3 本章小结  45-46
第四章混沌翅片流道抗结垢性能的数值研究  46-58
  4.1 停留时间分布(RTD)随流体流动的发展情况  46-47
  4.2 翅片流道内影响结垢因素的研究  47-48
  4.3 几何模型的建立  48
  4.4 网格划分  48-49
  4.5 模拟试验  49-57
    4.5.1 贝克列数Pe与普朗特数Pr之间关系  49-50
    4.5.2 贝克列数Pe与雷诺数Re、普朗特数Pr之间关系  50-51
    4.5.3 流速u对贝克列数Pe的影响  51-52
    4.5.4 流道摆动量D对贝克列数Pe的影响  52-54
    4.5.5 流道高宽比H/W对贝克列数Pe的影响  54-55
    4.5.6 流道扭曲比L_1/L_2对贝克列数Pe的影响  55-57
  4.6 本章小结  57-58
第五章混沌翅片流道抗结垢性能的实验研究  58-66
  5.1 实验目的与原理  58-60
    5.1.1 实验目的  58
    5.1.2 实验原理  58-60
  5.2 实验装置与仪器  60-63
    5.2.1 实验流程及方法  60-62
    5.2.2 实验设备及仪器  62-63
  5.3 实验步骤  63
  5.4 实验数据处理与结果分析  63-65
    5.4.1 实验测量及数据处理  63-64
    5.4.2 实验结果与数值模拟结果的对比分析  64-65
    5.4.3 误差分析  65
  5.5 本章小结  65-66
第六章结论和展望  66-68
  6.1 工作总结与结论  66
  6.2 本文的创新点  66-67
  6.3 展望  67-68
参考文献  68-74
附录  74-76
硕士期间参加的科研项目及已发表文章  76-77
致谢  77

混沌翅片流道抗结垢性能的研究

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