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几何参数对波壁管内流动及传质特性的影响

朱景彬  
【摘要】:随着科学技术的迅速发展,能源短缺问题已经成为社会关注的焦点。高效率、低耗能的热质传递装置越来越受到人们的关注。为了强化对流传热传质过程,各种几何结构的流路被广泛应用于工程中的热质传递设备之中。相关研究指出,各种异形管易于产生流动分离,与普通的直壁管相比具有更高的传递效率,并提出了质量传递强化的机理。本文以三维正弦波壁管为研究对象,考察了几何参数对波壁管的流动特性和质量传递强化的影响,特别关注了在等功耗条件下波壁管的传递特性,为高效反应器、换热器的开发设计提供重要的参考。 本论文共分为五章,主要内容如下: 第一章对国内外相关研究成果进行总结,介绍了在不同流场下各种形状的流路内的流体力学性能。在已有的研究中,大都描述了二维和三维流路内的流动特性和热质传递特点,而流路的几何参数对流动和热质传递特性的影响却鲜见报道。 第二章主要介绍了实验系统、操作方法和原理。为了表示波壁管的波动程度,定义了波动因子凡,综合考虑几何参数对管内流动特点和传递性能的影响。采用电化学方法和铝尘法分别完成了波壁管内的质量传递速率的测定和流动可视化研究。 第三章对实验结果进行了分析。波壁管的波长和振幅对其流动和传递特性有明显的影响。定常流场下,随着波动因子Fw的增大,流动更早的进入过渡流流域,同时带来更好的质量传递性能;而在等功耗条件下,波壁管的质量传递性能优于直壁管,并且各波壁管在中等雷诺数下质量传递效果较好。流动可视化结果清晰地表明了波壁管内的流动结构特点。在具有相同净流动雷诺数的脉动流场下,不同几何参数的波壁管中最大质量传递强化系数所对应的最优St数相同。随着波动因子凡Fw的减小,质量传递强化系数E逐渐增大。 第四章运用FLUENT软件在定常流场下对不同几何参数的波壁管和直壁管内的流动特点进行了数值模拟,用于验证部分实验结果。得到的摩擦曲线和流型与实验结果相吻合。 第五章总结了本研究得出的结论。对比几何参数不同的5套波壁管的最大传质强化,指出波动因子凡.在0.5附近,波壁管具有最佳的质量传递性能。


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