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丁胞型强化换热管管内传热与流动阻力的数值模拟和实验研究

贺志强  
【摘要】:由于科技的发展和能源的短缺,强化换热技术一直是人们研究的重点,丁胞型强化换热技术和其他强化换热技术相比在增强换热的同时不产生太大的阻力,因此在工业上得到了越来越广泛的应用,国内外很多学者通过实验和数值模拟的方法证实了丁胞凹陷结构不仅能够强化换热,而且也有减阻作用。由于丁胞的产生,导致了另一侧突起的出现,而突起也能够有效地增强换热,但相关研究较为缺乏。本论文主要以自主加工制造的丁胞型换热管为几何模型,利用FLUENT软件,研究管内突起在湍流流动状态下对流动和换热的影响。同时,进行换热管实验,测定相关的数据并与模拟结果相比较,进一步验证模拟结果的可靠性。 首先,建立丁胞型换热管物理模型和数学模型,采用RNG k‐ε模型作为湍流计算模型,应用SIMPLE算法求解压力‐速度耦合项,并根据文献中的实验数据进行验证,确定模拟方法的可行性。 通过得到的丁胞型换热管内的流场和温度场的数值模拟,并在局域换热和全局平均换热方面对其换热性能和流动阻力进行了分析,探讨管内突起结构引起强化传热的机理和原因。突起结构使得流体流动速度的大小和方向发生了改变,使流场相互影响增强了湍流度,并会产生剧烈的二次流流动。在突起结构的顶端换热能力最强,光滑区域换热能力较弱,总体上能够有效地增强换热性能。 最后,对丁胞较密的换热管进行实验研究,并将结果与数值模拟的结果相比较,发现两者吻合较好。数值模拟和实验研究均表明,丁胞型换热管内的突起能够有效的增强换热但同时产生较大的阻力,且阻力的增大比换热更明显。


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