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异型管高效换热元件传热性能研究与实验设计

作　者: 付崇彬
导　师: 阮立明
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 工程热物理
关键词: 非对称横槽管中心复合设计 k-ε模型大涡模拟数值模拟
分类号: TK172
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 25次
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内容摘要

能源紧缺问题是全球各国所面对的最主要的问题之一。我国是能源消费的大国，使能源紧缺问题显得更加严重。因而对换热设备在性能、参数等方面提出了更高标准的要求。另一方面，换热器换热性能的提高也使得换热器的结构更加紧凑，占用空间减小，节约了土地资源。由于换热设备最重要的组成部分是换热元件，因此换热设备整体性能提高的主要核心技术是高效换热元件的开发及利用。所以各种高效换热元件的研发显得尤为重要。本文首先在现有研究成果的基础上，根据课题的任务要求，设计了一种新型的非对称式横槽管高效换热元件，使用了一种相对科学的评价准则用来评价该高效换热元件的综合传热效率。基于k-ε湍流模型，以氦气作为换热工质，对该新型换热元件在高温高压工况下管内的流动与传热进行了数值模拟研究。结果表明非对称式横槽管的综合传热效率要优于传统的对称式横槽管。随后，结合前面的数值模拟结果，采用“中心复合设计”(CCD)方法对非对称式横槽管的三个基本结构参数(槽间距p、槽宽b、槽深e)进行了优化设计，考察了不同结构对非对称横槽管传热性能、阻力性能及综合传热性能的影响，最后对其内部流动及传热机理进行了初步地分析与探讨。结果表明，最优结构参数为p12-b8-e0.6。此外，本文应用大涡模拟(LES)对非对称横槽管管外的流动与传热进行了三维数值模拟研究，考察了非对称结构管外的强化传热机理，横向对比分析了不同槽深参数下横槽管管外流体的流动和传热的变化情况。得出了最佳的槽深参数为0.6mm，此结构流场的速度场与温度场协同性较好，这也同时验证了二维模拟优化计算结果的准确性。考虑到实际的工程应用问题，需要对高效换热元件进行相应的测试，因此本文依据相似准则原理，利用等雷诺数法确定了实验参数，根据实验参数完成了相关的实验设计并给出了具体的实验测试方案。此外，根据实验室的实际客观条件，提出了一套合理的实验系统的布置方案。最后，结合前面提出的设计与测试方案，对整体实验台所需的各种仪器设备进行了选型，确定了一套行之有效的高效换热元件实验测试平台搭建方案。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-7
目录  7-9
第1章绪论  9-19
  1.1 课题研究背景及意义  9-14
    1.1.1 研究背景  9
    1.1.2 强化传热技术的发展  9-11
    1.1.3 主要强化传热技术  11-14
  1.2 国内外研究现状  14-18
    1.2.1 国外研究现状  14-16
    1.2.2 国内研究现状  16-18
  1.3 本文研究的主要内容  18-19
第2章非对称横槽管管内流动与传热研究  19-37
  2.1 引言  19
  2.2 数学模型  19-22
    2.2.1 雷诺平均  19-20
    2.2.2 k-epsilon 湍流模型  20-21
    2.2.3 控制方程  21-22
  2.3 物理模型及网格划分  22-24
  2.4 流动与传热的数值模拟  24-27
    2.4.1 边界条件设置  24
    2.4.2 计算结果分析  24-27
  2.5 非对称横槽管结构优化设计  27-35
    2.5.1 Minitab 软件简介  27
    2.5.2 中心复合设计  27-28
    2.5.3 结构优化试验  28-29
    2.5.4 试验数据分析  29-35
  2.6 本章小结  35-37
第3章非对称横槽管管外大涡模拟及分析  37-47
  3.1 引言  37
  3.2 大涡模拟理论  37-41
    3.2.1 大涡模拟与直接模拟  37-38
    3.2.2 大涡模拟研究简述  38
    3.2.3 大涡模拟数学模型  38-41
  3.3 物理模型及网格划分  41-43
  3.4 边界条件设置  43
  3.5 计算结果分析  43-46
    3.5.1 流线分布分析  43-45
    3.5.2 速度场和温度场场协同分析  45-46
  3.6 本章小结  46-47
第4章换热元件性能测试实验台设计  47-61
  4.1 引言  47
  4.2 相似原理及等雷诺数法  47-49
    4.2.1 相似原理  47-48
    4.2.2 等雷诺数法  48
    4.2.3 实验参数计算  48-49
  4.3 实验系统设计  49-59
    4.3.1 实验目的  49
    4.3.2 实验台技术指标及功能  49-51
    4.3.3 实验台主要构成  51
    4.3.4 实验系统示意图  51-55
    4.3.5 实验台布置图及主要元器件的配置  55-59
  4.4 本章小结  59-61
结论  61-62
参考文献  62-67
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果  67-69
致谢  69

异型管高效换热元件传热性能研究与实验设计

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