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矩形通道内纵向涡发生器的换热与流动分析

王鹏  
【摘要】:随着人类社会的快速发展,能源短缺的问题越来越突显,提高能源的利用率已迫在眉睫。强化换热技术因其增强换热的显著效果而受到学者们的广泛关注,对于节能减排,提高能源利用率是一种十分有效的技术。其中,纵向涡发生器作为一种有效的强化换热方法,可以在通道中产生螺旋式旋涡,破坏边界层发展,从而达到增强换热的目的。同时,由于脉动流能够对管道内流体产生周期性扰动,使壁面边界层不断被破坏,增强流体与壁面之间的换热,备受青睐。本文采用实验方法和数值计算仿真软件ANSYS 15.0,研究了矩形通道内纵向涡发生器在稳态强化换热特性。首先,搭建实验平台,实验研究了湍流时,涡发生器的传热与流动特性,与仿真结果相比较,验证数值模拟的准确性。其次,研究了湍流时,纵向涡发生器结构参数和布置方式对矩形通道通道的传热和流动的影响。最后,选择最佳涡发生器,研究了脉动流条件下,频率、振幅和雷诺数对脉动流和场协同角的影响。湍流状态下,通过对涡发生器的矩形通道的实验数据和仿真数据的对比,获得以下结论:进行了不确定性分析,Nu的相对不确定性为9.23%,摩擦因子f的相对误差为4.96%(1)进行了实验结果和仿真结果的对比,Nu的最大误差为6.81%,f的最大误差为7.7%,实验结果和仿真结果吻合很好,表明了本文数值方法及结果的正确性。(2)在纵向涡发生器的短翼与长翼的三种相对位置中,短翼位于长翼的上端(靠近了入口的一侧),Nu数高于其他两种,换热性能好;上端的摩擦因子f要高于其他两种位置,流动性较差,但位于上端时,综合换热效果最好。(3)在纵向涡发生器的短翼与长翼的三种夹角中,随着夹角的变小,流体流动性提高,但换热效果变差,综合换热效果也随之变差,所以就综合换热性能来说,纵向涡发生器的短翼与长翼的夹角为90°的几何结构相对来说是最好的。保持纵向涡发生器结构的整体性,对于提高综合换热效果是十分必要的。(4)对于不同的纵向涡发生器的阵列间距,等距阵列间距在三种阵列间距中换热性能、流动性、综合换热效果都是最好的。脉动流时,在雷诺数和振幅一定时,频率与Nu成正比,Nu随频率增大而增大,对于流体流阻影响因频率的范围不同而不同;在雷诺数和频率一定时,增大振幅有助于增强换热效果。在频率和振幅一定时,雷诺数的增大对于脉动流换热性能的提高影响显著。在对脉动流对场协同的影响的研究中,可以看到,当频率大于1时,增大振幅和雷诺数,有助于提高速度场和温度场的协同性,减小场协同角。可以总结为:在频率大于1时,增大振幅和雷诺数,有助于提高脉动流的综合换热性能。


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