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《南通大学》 2016年
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过渡流下双圆柱绕流对壁面的传热强化机理研究

王丽娟  
【摘要】:近年来,现代工业的飞速发展使得能源紧张逐步成为世界性的环境问题。提高能源效率以节约现有能源受到各界的支持和重视。在能源消费结构中,工业用能是能源消费,因此工业是节约能源的重点领域。而换热器是一种最为广泛应用的工业设备,提高换热器的换热效率是提高工业设备生产效率、节约工业用能的重要组成部分。目前的换热器正朝着结构紧凑型、尺寸小型化方向发展,这便使得管外流场由湍流状态向过渡流状态转变,但过渡流状态下的流动传热特性目前尚未厘清,现有的理论不能有效地指导紧凑型小型换热器的设计。本研究的最终研究目标是为了解明在过渡流状态下空调用新型换热器中管束、翅片的流动特性和传热强化机理。前期已对单圆柱、顺排双圆柱、叉排双圆柱、三列交叉圆柱、近壁单圆柱进行了相关研究。本文是在前期研究的基础上,对近壁双圆柱模型进行数值模拟与相关实验研究,以期解明近壁插入双圆柱后壁面的流动特性和传热特性,总结传热强化机理。本文的研究内容是整个课题的一部分,是对前期研究的深入、拓展和丰富。本文的研究对象为近壁双圆柱,流道中的流体为不可压缩的二维非定常流体。研究中采用有限差分法对二维控制方程进行求解,控制方程包括连续性方程(即质量守恒方程)、能量守恒方程和动量守恒方程。其中将三次迎风差分法运用于对流项,中心差分法运用于扩散项,隐式差分法运用于时间项,用ADI算法求解这些差分方程式,采用SIMPLE算法修正压力场。并用PIV实验、HT实验和可视化实验来验证数值模拟结果的可靠性和正确性。通过对近壁单圆柱和近壁双圆柱的对比研究和分析,得出以下两条结论:(1)近壁插入圆柱可使圆柱和壁面间流体受迫加速,此处壁面换热得以强化;另一方面,近壁插入圆柱可使流场产生波动,形成正负交替的旋涡,其对壁面的洗刷作用亦会使被洗刷处的壁面传热强化;(2)近壁插入双圆柱与近壁插入单圆柱相比,可有效提高圆柱附近壁面及下游壁面的换热系数,明显强化壁面与冷流体之间的传热。通过对过渡流范围内六个雷诺数Re下的研究结果分析发现:过渡流下,整个壁面的平均努塞尔数均随Re的增大而增大,这也就说明在过渡流范围内,雷诺数Re对壁面的传热强化具有促进作用。通过对不同圆柱间横向间距Ps和圆柱距壁面间间距C的研究发现:(1)两圆柱间横向间距Ps对壁面的传热强化效果有显著影响:间距不宜过小,否则后排圆柱对前排圆柱尾流具有整流作用,不利于传热强化;Ps亦不宜过大,否则无法达到洗刷效应与流体受迫加速的叠加作用从而使得传热得以进一步强化;(2)插入圆柱距壁面间的距离C对壁面的传热强化效果有显著影响:壁面的传热强化效果随C/D的增大而减弱。最终得出雷诺数、几何参数是影响壁面传热强化的重要参数,且近壁插入双圆柱与近壁插入单圆柱相比,可有效提高壁面的平均换热系数,并且圆柱上下游附近的局部区域换热系数有显著提高。在空调换热器的设计和应用中应将雷诺数控制在合适的范围内,并选择适当的几何参数来提高换热系数。
【学位授予单位】:南通大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TK172

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