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不同边界条件下管外对流换热性能的实验研究

高胜利  
【摘要】: 管外努谢尔数是管式换热器(如电厂锅炉中的省煤器、空预器,冶金炉中的各种换热设备及其日常生活中的热水器等)设计和校核的重要参数。一般通过实验的方法求得,即运用牛顿冷却公式求出管外对流换热系数,进而求得管外努谢尔数。 研究换热器的实验方法很多,其中以采用直接电加热法模拟恒热流边界条件较为普遍,即管内部通电流加热,外部空气横掠。该方法把整个换热器看成是等热流密度的,但实际情况并非如此。管内的热流体经过换热器时温度要发生变化,热流密度也要发生变化,所以电加热法与实际的换热情况必定存在差别。探讨这两种边界条件下对流换热系数与努谢尔数的关系和差别,这对于换热设备的设计具有重要的意义。 采用实验研究的方法,分别对针翅管,平直翅片管和光管在同一风洞实验台上进行了实验。采用管内电加热法模拟第二类边界条件,管内流体加热,管外空气横掠模拟第三类边界条件,实验的管外雷诺数范围为Re=5000~35000。实验结果表明,光管在第三类边界条件下的Nu是第二类边界条件下的1.048倍,翅片管在第三类边界条件下的努谢尔数Nu是第二类边界条件下的1.073倍,针翅管第三类边界条件下的努谢尔数Nu是第二类边界条件下的1.1倍,且这个比例关系与雷诺数的变化无关。在同一边界条件下,整体针翅管在整个实验流速范围内都比平直翅片管、光管有更强的换热性能。为了进一步研究产生这种差异的原因,采用FLUENT软件对光管和针翅管单管的管外流场、温度场和压力场进行了数值模拟。得出在第三类边界条件下,管内流体充分发展后,管外局部对流换热系数沿轴向不再变化。流场模拟结果显示,在针翅附近速度场的大小和方向变化较大,证明针翅的存在激发了流体的边界层分离和湍动,从而强化了传热,进一步验证了经过实验研究得出的针翅管换热器具有的优良性能。


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