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原表面波纹通道在湍流状态下的流动和换热特性的数值研究

梁小龙  
【摘要】:在现代时期,由于逐渐严重的能源危机和新科技的不断发展,对于具有高参数和高性能的换热器的需求更加迫切。具有良好性能的换热器,其作用对于整个系统的经济性和可靠性以及产品质量、能量利用率非常重要,其作用有时是决定性的。因此设计和制造各类高性能换热设备是经济地开发和利用能源的重要手段,促使人们对强化传热技术进行深入的研究和探讨。利用复杂几何形状的换热通道改变流动结构,使通道流体相互扰动和混合并且不引起较大的压损,是强化换热的有效方法之一。原表面式换热器就是在此背景下提出并且发展的,其中以翅片为主要换热元件的波纹板换热器在实际中应用的较为广泛。 本文利用前处理软件GAMBIT2.0对四种不同原表面波纹通道绘制合理网格,并对数值几何模型进行了建立,对于常物性参数的空气在二维周期性波纹通道中的湍流流动和换热特性采用FLUENT6.3软件进行了数值模拟,对比了不同型式波纹通道内空气在恒壁温条件下的湍流流动和换热情况,分析了不同型式波纹通道的间隔比、相位差等参数对流体流动和换热的影响。获得了不同型式波纹通道在不同雷诺数下的温度场、流场和剪切应力分布,以及阻力系数、平均努塞尔数和品质因子,利用品质因子对不同通道的综合性能进行比较,揭示了不同通道的湍流流动和换热情况,旨在为开发新型换热器通道提供参考依据。 研究结果表明:各种通道的综合换热经济性随通道间隔比增大呈现出先缓慢较小后缓慢增大的趋势,随着雷诺数的变化较为复杂,整体看雷诺数较小时通道的换热经济性低于雷诺数较大时通道的换热经济性。当波纹板相位差为0°排列时,波纹通道中正弦和三角型通道的换热经济性较好,凸肋型通道次之,而矩型通道的换热经济性最差;相位差为90°排列时,三角型通道的换热经济性最好;相位差为180°排列时,凸肋型通道的换热经济性较好。另外,各种型式通道的几何因子变化对流动和换热特性,以及对阻力系数和壁面剪切应力影响较大。在实际选型中应当根据设计要求和运行工况的雷诺数范围进行综合考虑和选择。


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