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管壳式换热器自激振荡脉动强化传热技术研究

王福生  
【摘要】: 论文针对目前工业上管壳式换热器无源功脉动强化传热问题,在查阅大量相关文献的基础上,开发设计了一系列不同结构的自激振荡腔体来实现管壳式换热器的无源强化传热。论文从理论上分析了脉动强化传热机理和自激振荡机理:得到了流体脉动对于管内流场及温度场的影响和影响流体脉动强化传热的因素;认为剪切层的不稳定性是形成自激振荡的决定因素;并利用水电比拟的流体网络理论模型推导出腔体固有频率的计算公式。利用FLUENT非定常流动模型计算了自激振荡腔体内部的流场,揭示了自激振荡脉动机理。利用FLUENT对振荡腔内流场进行了分析,得出腔体的结构参数对自激振荡的形成至关重要,操作参数直接影响出口动能大小。通过大量数值模拟得出腔体结构参数优化范围,碰撞壁锥角:120度;腔体直径与出口直径之比D_c /d_2 :4~7;出口直径与入口直径之比d_2 /d_1 :2~2.3;腔体长径比L_c /D_c:0.4~0.7。发生振荡腔体结构需要满足三个条件,即腔体具备合理的长径比,入口能够提供足够的射流湍动能以及出口具备良好的射流过流特性。通过自激振荡脉动强化传热试验研究得到了:激振荡腔体在一定的结构参数和运行参数下,能够使流体产生脉动;在相同Re数下,振荡腔体的长径比不同,对换热系数的影响也不相同,存在最佳长径比,在此长径比下强化传热比E达到最大值;随着管内流动情况的改变,相应提高了流体流动阻力,导致阻力损失增加,并且Re数越大,阻力损失越大。实验数据对自激振荡腔体设计和现场应用具有重要指导意义。


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