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管内对流换热强化的数值模拟

邓俊杰  
【摘要】:节能减排已经成为我国乃至于全世界各国经济发展中的一个重要环节,而高效实用的强化传热技术是节能的重要手段,广泛应用于石油、化工、能源、冶金、材料等工程领域。另外在航天航空、电子器件冷却以及核能的安全利用等领域也有广泛的应用。因此,发展新型强化传热技术,开发高效换热器可以带来巨大的经济和社会效益。 本文中首先根据核心流强化换热原理的设计原则,设计了一种多边形框架形式的扰流元件。并对其进行了数值模拟,考察其换热性能、阻力特性和换热强化的综合性能,最后用场协同原理对计算结果进行了分析。计算结果表明,这种内插物形式可以显著的强化圆管内部湍流对流换热:与光管相比,扰流元件的加入,使圆管内部中心区域的温度分布趋于均匀,极大的提高了对流换热效果,Nu数增加了1.4~2.8倍;阻力系数f增加了6倍左右;PEC为1.26~1.92。 然后,对一种树叶形圆管内插物的换热强化效果进行了模拟,分析不同的结构参数(叶片倾角,叶片间距)对其换热性能的影响。从计算结果看,这种结构形式的插入物对圆管内部湍流对流换热有明显的强化效果。倾角为30°的模型效果最好,与光管相比,Nu数增加了约2倍,阻力系数f最大的增幅为10倍左右,综合性能指标PEC为1.6~2。 最后,在树叶形内插物的基础上,对其叶片形状进行改进设计,得到了一种新的扇形叶片内插物。通过数值模拟,对比两种形式的叶片式内插物的强化换热效果。与树叶形内插物相比,改进后的扇形叶片内插物流动阻力更小,阻力系数f的最大值由0.5降至0.37。同时,换热效果下降又不是很明显,从424降至400,PEC值也有所提高。


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