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热交换器管内外流动换热的实验与数值模拟研究

作　者: 张利
导　师: 杨昆
学　校: 华中科技大学
专　业: 工程热物理
关键词: 椭圆翅片管数值模拟场协同核心流强化传热窄边扭带 PEC值
分类号: TK124
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

节能减排已经成为我国乃至于全世界各国经济和国民发展中的一个重要环节,而高效实用的强化传热技术正是节能的重要手段,广泛应用于石油、化工、能源、冶金、材料等工程领域,另外在航天航空、电子器件冷却以及核能的安全利用等领域也有广泛的应用。因此,发展新型强化传热技术,开发高效换热器可以带来巨大的经济和社会效益。本文首先对椭圆管椭圆翅片间的流动与传热规律进行了三维数值研究,分析了不同翅片间距、迎面风速对表面换热系数和流动阻力的影响;与具有相同结构参数(相同的基管当量直径和翅片厚度、表面积)的圆管圆翅片进行比较表明,在相同条件下,两者的表面换热系数相差不大,但椭圆管椭圆翅片间流动阻力却有明显的减小。场协同分析表明,翅片迎风侧的换热要优于背风侧;通过适当增加迎风侧翅片面积,减少背风侧翅片面积,可以在强化换热的同时,减少流动阻力。针对管内强化传热措施,从传统的强化传热方式中存在的缺点从发,根据刘伟教授提出的核心流强化传热原理,通过在管内核心流区域添加不同结构扭带的实验进行了验证,为以后的新型强化传热技术的发展提供了理论基础。通过将管内有限空间强化传热机理与大空间强化传热机理的比较,提出了管内流动核心区域添加内插物的强化传热方式,在提高了对流换热系数的同时,避免了流动阻力的显著增加,从而使强化管的综合换热性能得到提升。以水为工质,通过在管内添加不同宽度的扭带分别进行流动与换热的实验研究,并将结果与光管进行比较。从对实验结果的分析中可知,在保证实验中所用的三根扭带的定义扭转比Y相同的情况下,三种不同宽度扭带( d 1 = 6mm、d 2 = 10mm、d 3 = 14mm)的换热性能随着扭带宽度的减小而逐渐降低,并且扭带越窄换热性能降低的越快,与此同时,流动阻力也随之降低。从综合性能评价系数PEC值可以看出,扭带2要优于扭带1和扭带3,并且数值模拟的结果显示,当扭带的宽度约等于管子内径一半的时候,其综合性能最优。由此证明了,核心流强化传热原理的正确性。通过实验验证之后,完全可以以核心流强化传热原理为基础,结合数值模拟和实验手段,对现有的换热器换热性能的好坏解释,同时可以指导对原有强化换热方式的优化,更能以该原理为基础发展新型强化传热技术,设计新型换热器,具有广阔的应用前景。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-10
1 绪论  10-26
  1.1 概述  10-11
  1.2 强化传热文献综述  11-16
  1.3 核心流强化换热原理  16-19
  1.4 性能评价指标  19-24
  1.5 研究背景及本文的研究内容  24-26
2 管外翅片管换热器的数值模拟  26-35
  2.1 物理问题及数学描述  26-28
  2.2 结果分析  28-31
  2.3 场协同分析  31-34
  2.4 本章小结  34-35
3 对流换热实验系统  35-44
  3.1 实验内容  35
  3.2 实验装置  35
  3.3 水路系统  35-37
  3.4 加热系统  37-40
  3.5 测量系统  40-41
  3.6 控制系统  41-43
  3.7 本章小结  43-44
4 光管对流换热实验研究  44-52
  4.1 光管对流换热实验研究  44-49
  4.2 光管流动阻力实验研究  49-51
  4.3 本章小结  51-52
5 管内插入扭带强化管换热的实验研究  52-61
  5.1 强化管的换热性能分析  52-54
  5.2 强化管的流动性能分析  54-56
  5.3 强化管的综合性能分析  56-57
  5.4 实验结果与核心流原理的比较验证  57-59
  5.5 本章小结  59-61
6 结论与展望  61-66
致谢  66-67
参考文献  67-72
附录：作者攻读硕士学位期间发表的论文  72

热交换器管内外流动换热的实验与数值模拟研究

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