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《兰州交通大学》 2011年
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扭带及涡产生器在管内诱导的二次流强度及其强化传热特性研究

林志敏  
【摘要】:发展强化传热技术不仅可以降低换热设备的成本,而且能满足温度控制和高热流的需求,更是实施节能减排,倡导关爱环境的必然要求。二次流强化传热技术是利用特定的装置使流体在换热空间中产生二次流以提高换热效率的无源强化传热技术。基于二次流强化传热的第三代强化传热技术目前已得到广泛应用,如管翅式换热器中涡产生器强化翅片和内置扭带强化传热管就是典型代表。为更好的应用二次流强化传热技术,首当其冲的任务是找到二次流强度的普遍适用性的定量描述参数,并在此基础上建立起二次流强度与强化传热程度之间的定量关系,最终找到有效利用二次流强化传热的方式。考虑到扭带与流体的接触面积过大导致内插扭带强化传热管的摩擦阻力和形体阻力增加,寻找结构简单、实用、具有优越传热性能的新型内置扰流元件及优化其结构参数是强化传热的研究热点。 本文首先发展了非正交曲线坐标系下对流传热区域分解的计算方法及程序;对内插扭带管内层流流动和耦合传热进行了数值模拟,定量分析了扭带的翅片效应对强化传热的影响,并细致分析了扭带结构参数对管内对流换热特性的影响;提出了与绝对涡通量参数JABSn对应的无量纲参数Se,并阐述了绝对涡通量参数及其无量纲参数的物理意义;采用绝对涡通量参数及其对应的无量纲参数对内插扭带管内二次流强度进行了定量描述;分析了无量纲参数与对流换热强度的关系,考查了管内二次流强度对流动边界层的影响,量化了二次流强度对传热强化和阻力增加的贡献,并分析了二次流强化传热效应与热边界条件之间的关系;开发了一种涡产生器式的内插强化传热元件以减小扭带与流体的接触面积,对内插涡产生器管内层流流动和耦合传热进行了数值模拟,并采用正交设计方法初步对涡产生器结构参数进行了初步筛选;分析了涡产生器结构参数对流动与传热特性的影响及无量纲二次流强度参数与内插涡产生器管内对流换热强度的关系。研究发现: (1)扭带热边界条件的处理方法对数值结果影响较大。过于简单的热边界条件虽然简化了物理模型和计算过程,但数值结果与实验值偏差较大;基于耦合传热模型的计算结果与实验结果吻合较好,通过选择合适的等效热阻来考虑扭带与管壁接触状态对传热的影响能进一步提高数值结果和实验结果的一致性。 (2)绝对涡通量参数JABSn的物理意义可表述为:它表示流体在绕沿主流方向的轴线旋转的平均角速度;无量纲参数Se的物理意义可表述为:二次流诱导的惯性力和粘性力之比的一种度量。 (3)对于内插扭带管,无量纲绝对涡通量参数Se与文献中的无量纲涡旋参数Sw存在线性关系,这说明无量纲绝对涡通量参数Se和无量纲涡旋参数Sw是相容的,但无量纲参数Se具有普遍适应性,同时该参数还具有局部特性。 (4)对于内插扭带管,管壁为两种热边界条件(UWT和UWHF)下的对流换热强度Num均随二次流强度参数Se增大而增大;若不考虑扭带的翅片效应,Num和δNum(=Num-Num,ref)均与Se存在良好的幂次函数相关,且管壁为等壁温条件下的二次流强化传热效应ηEN(=Num/Num,ref)高于等热流条件下的ηEN值;同时无量纲参数Se与强化传热因子JF存在一定的相关性,这表明Se可以用于估计内插扭带管内二次流强化传热所能达到的性能。 (5)在所研究的结构参数范围内(Re=200~800,Tr=4.0~6.0,δ/D=0.025~0.1),内插扭带管内的二次流没有明显改变流动边界层的厚度,这说明内插扭带管内二次流强化对流换热的主要原因并不是减薄了速度边界层厚度。 (6)在所研究的涡产生器结构参数范围内,在正交设计试验中以强化传热因子JF值最大为设计目标时,影响目标的主要因素与Re数有关,当Re=400时,影响目标的主要因素是涡产生器的间距S'、涡产生器主攻击角a、基带宽度W与管子直径的比值W/D;平行四边形涡产生器优于直角梯形涡产生器,基带宽度W/D=0.3的目标值优于W/D=0.5的目标值,尤其是在等壁温热边界条件下。 (7)对于管内镶嵌涡产生器元件,在其他结构参数相同的条件下,随着主攻击角a的增大,管内二次流强度增强,同时,Nu增大,强化传热效应ηEN值也增大;随着涡产生器间距S'的减小,管内二次流强度增强,Nu和强化传热效应ηEN值增大。在结构参数和流动参数相同的条件下,等壁温热边界条件下的强化传热效应ηEN值高于等热流条件下的ηEN值。
【学位授予单位】:兰州交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TK124

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