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纤毛状肋和插入物的传热强化研究

王崧  
【摘要】:在强化换热研究中,提高换热强度的同时尽量降低流动阻力一直是研究的焦点。本文进一步发展了将对流换热比拟为有内热源的导热这一对流换热分析方法,提出速度和温度分布的均匀性是影响对流换热的一个重要因素,并定义了剖面均匀性因子以定量研究剖面的均匀程度。从这一角度出发考察了一些对流换热问题,分析表明,楔角增大对于楔角绕流使得速度和温度剖面变得均匀,从而提高了壁面的温度梯度,导致换热强化;平行通道旋转流动换热问题中旋转产生的二次流使截面的速度和温度分布趋于均匀,从而换热得到强化。 提出了在通道中用纤毛状插入物使得流体温度剖面更加均匀的方法来强化换热,数值分析表明利用插入物本身的高导热系数可以拉平温度分布,使得插入物前后的温度剖面更加均匀,从而使换热得到强化;换热最强的地方出现在与插入物端部距离最近的壁面上,在插入物的下游出现一个狭长的弱换热区;插入物几何尺寸、导热系数以及流体Re数和Pr数等参数对强化换热效果有影响,纤毛状捅入物在相同功耗条件下的强化换热性能优于其他插入物。 对单根纤毛肋进行的简化理论分析表明纤毛长径比和肋材与流体的导热系数比越大其强化换热作用越好。数值分析表明,纤毛肋根部的热流远远大于通道壁面热流,在肋基周围有蝴蝶形状的换热增强区以及在肋下游有狭长的弱换热区,弱换热区的存在使得交叉排列比平行排列换热性能好;Re数增大,Pr数增大以及交叉排列均能使纤毛肋换热强化管的PEC(表示相同功耗下的换热增强)增大;改变纤毛肋尺寸和肋间距,保证填充率不变时,纤毛肋越细,PEC越大。 发展了一种新型强化换热管一纤毛换热强化管,对不同结构参数的纤毛肋及纤毛插入物强化换热管进行的实验研究表明在Re=400~4000范围内,强化管的PEC为1.3~4.6,在同功耗条件下能够强化换热性能;实验结果在总体趋势上与数值计算结果一致;与Kays和London有关五种针肋结构的实验数据相比,本文提出的纤毛肋换热强化管的PEC值明显


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