管内强化换热的理论和实验研究

【摘要】：管内强化换热技术广泛使用于各种工业领域中,传统的技术都是在经验方法上设计出来的,缺少一种有效的设计理论提供指导,因而存在很大的局限性。设计理论的缺乏也是强化换热研究领域目前面临的一个瓶颈,国内外众多学者都在努力寻找理论的突破。本文对管内强化换热的机理进行深入探讨,通过变分法推导出了速度场和温度场的优化设计方程。从方程的求解结果提出了指导流场设计的细分流场思路,有别于原来对流场进行整体扰动的传统强化换热思路。此外,本文也对管内插入物的减阻方式进行了研究,提出了减小迎风面积的减阻思路。分别以细分流场和减小迎风面积思路为指导,设计出了四对称涡发生器、中空扭带、单边扭带、锥形片和T形锥片等新型强化换热元件,对换热和阻力特性进行了数值分析和实验研究。通过数值模拟对单涡结构、螺旋扭带、四同向涡结构和四对称涡结构的对比发现,四对称涡结构具有最好的性能,从一定程度上验证了细分流场的适用性。在实验的雷诺数范围内(Re从5000到30000),四对称涡发生器的综合性能系数PEC为0.85到1.08.攻角和前后间距对换热和阻力都具有较大影响,攻角越大,前后间距越小,则换热和阻力也就越大。由于插入物的振动,在一定条件下会出现小攻角换热更强的特殊现象。通过数值模拟对中空扭带和窄边扭带的对比发现,两者都能够有效减小流动阻力,但是窄边扭带对换热效果也有较大削弱,导致综合性能下降。中空扭带比传统扭带的PEC值最大提高了14%,单边扭带的PEC值比中空扭带的略高。锥形片插入物也具有比较好的改进效果,实验测得,Re≈13000时其PEC≈1,Re≈17000时其PEC≈0.9,当Re继续增大时,PEC值随着雷诺数Re的增大而下降的趋势较快。T形锥片的PEC值随着雷诺数Re的增大而下降的趋势比锥形片有所减缓,在高雷诺数时能够保持较好的综合性能,可以和锥形片在不同雷诺数时补充使用。