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涡流发生器的强化传热与抑垢特性研究

韩志敏  
【摘要】:涡流发生器作为一种被动强化传热技术越来越受到人们的关注。本文将利用涡流发生器在强化传热方面的研究为基础,以换热面上涡流发生器的几何结构参数和流体工况参数为研究重点,借助数值模拟方法对涡流发生器关于换热面的析晶和颗粒污垢特性进行深入的研究,最终揭示涡流发生器抑制换热面污垢(析晶和颗粒)沉积的机理。在雷诺数Re=214-10703的范围内,通过数值模拟方法对有孔和无孔的两种矩形翼涡流发生器的通道进行了传热和流阻特性的研究。同时,以传热因子j、阻力因子f以及综合换热性能PEC作为评价指标,对冲孔矩形翼涡流发生器的结构参数(孔径和孔位置)进行了详细的研究。通过对比综合换热性能指标可知,冲孔矩形翼涡流发生器的综合性能要优于无孔矩形翼涡流发生器。此外,冲孔矩形翼涡流发生器的传热因子和阻力因子均随孔径的增大而减小,但阻力因子的减小幅度大于传热因子的减小幅度。不同冲孔矩形翼涡流发生器的冲孔位置对强化传热能力的影响较小,但对通道的流动阻力影响很大。在不考虑污垢诱导期的情况下,针对析晶污垢,建立了CaSO_4析晶污垢形成过程的数学模型。而针对颗粒污垢,首先基于颗粒反弹沉积模型,综合考虑曳力、重力和浮力、萨夫曼升力、布朗力以及热泳力的影响,建立了基于拉格朗日法的颗粒污垢数学模型;然后通过考虑一些重要的沉积机制,例如布朗扩散、涡旋扩散、重力沉积、热泳和湍流泳沉积,建立了基于欧拉法的颗粒污垢数学模型。此外,针对建立的析晶和颗粒污垢数学模型,与实验数据进行了对比,验证了模型的准确性。以三维通道为例,在相同工况条件下分别采用拉格朗日和欧拉法对颗粒污垢沉积情况进行了对比。结果表明,无论采用何种方法,通道前部的无量纲沉积速度明显大于后面的无量纲沉积速度。使用拉格朗日法和欧拉法计算的总污垢质量均表现出渐近特性,并且这两种方法都可用于预测总污垢质量。然而,对于本案例可知使用欧拉法计算的总污垢质量曲线更接近实验曲线。此外,欧拉法比拉格朗日法需要更少的计算时间,也就是说,欧拉法具有更少的计算成本。因此,欧拉法可能更适合模拟具有较长周期的实际工程。利用上述建立的析晶污垢模型,模拟了矩形楞、半圆形楞和三角楞涡流发生器的通道的CaSO_4污垢特性;考察了工质流速、浓度以及壁面温度对三种涡流发生器污垢特性的影响;针对半圆形楞涡流发生器的楞长、半径以及纵向间距对换热壁面污垢沉积的影响进行了详细的研究。此外,基于建立的欧拉法颗粒污垢模型,首先详细研究了矩形翼涡流发生器的不同翼型高度、长度以及纵向间距对颗粒污垢特性的影响;然后对矩形翼涡流发生器是否冲孔进行了对比研究,并且对冲孔矩形翼涡流发生器的孔径、孔横向位置和纵向位置进行了研究。


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