螺旋半圆管夹套内流体流动与传热特性研究

【摘要】：螺旋半圆管夹套由于具有传热效率高、承载能力强、结构紧凑等优点在各种工业生产中应用广泛。本文采用数值和实验方法研究了安装在反应釜外壁侧和内壁侧的两种螺旋半圆管夹套内流体流动与换热特性,简称为釜外夹套和釜内夹套。旨在为工程实际中螺旋半圆管夹套的合理设计提供理论基础,以提高其内流体的传热能力,并减小流动阻力损失。 本文首先基于正交螺旋坐标系建立了两种夹套内流体充分发展层流流动与换热的数学模型,采用自编程序求解了两种夹套内充分发展的层流流场与温度场。研究了无量纲轴向压力梯度Ps、夹套结构以及流体物性对充分发展层流流动与换热特性的影响。结果表明釜外夹套横截面上轴向速度的最大值位置只有一个,二次流为恒定的两涡结构;随着Dn数的增加,釜内夹套二次流存在由两涡向四涡结构的转变,轴向速度最大值位置由一个变为两个,转变的临界Dn数为96。相同条件下,釜内夹套的层流换热能力高于釜外夹套。 应用三维激光多普勒测速仪对有一定螺距的两种夹套内的流场进行了测量。给出了直角坐标系下夹套内的三维时均速度和脉动速度分布,并经过坐标变换后,给出了基于正交螺旋坐标系下的时均轴向速度分布和二次流速度分布。 应用CFD软件模拟计算了两种夹套内流体的湍流流动与换热,数值模拟结果与激光多普勒测速仪测得的速度场和传热实验结果吻合较好。给出了一定范围下两种夹套内充分发展的湍流流动阻力fRe和换热壁面平均努塞尔数Num的关联式。结果表明充分发展湍流条件下釜外夹套内二次流结构为恒定的两涡结构;釜内夹套的二次流为恒定的四涡结构。两种夹套内流体的湍流换热是平均二次流和湍流共同作用的结果。相同条件下,釜内夹套充分发展湍流换热能力高于釜外夹套,湍流流动阻力也大于釜外夹套的流动阻力。 通过分析可知两种夹套换热壁面中心点处是流体换热最差的部位,基于此提出了增加翅片和扰流柱来强化釜外夹套内流体换热的方法,并研究了翅片长度、扰流柱高度等对釜外夹套的强化传热效果。结果表明研究范围内,长度为h_1=0.5a(a为夹套管半径)的翅片对釜外夹套充分发展层流换热的提高效果最好,而h_1=0.25a的翅片综合强化换热效果最好。高度为h_2=0.5a的扰流柱好于高度为h_2=a的扰流柱对釜外夹套湍流换热的综合强化效果。