三维内肋管紊流换热和阻力特性的实验和模拟研究

摘要

换热器作为回收余热和废热、提高热能利用率的主要设备，其换热性能和动力消耗关系到整个系统的生产效率和节能降耗水平，而传热管作为换热器中的核心元件，其结构对换热器的传热系数影响颇大。本文以实验和数值模拟相结合的方法，对一种高效强化换热管——三维内肋管的管内流动和强化换热进行研究。
　　实验以空气为工质，利用正交设计实验对雷诺数在25000~110000范围时，直径为89mm和102mm两种大管径三维内肋管的紊流换热和流动特性进行研究。以Webb定义的热力性能系数作为强化指标，采用极差法和方差法对影响三维内肋管热力性能系数的因素——肋宽、肋高、肋间距和肋密度进行分析，得出三维内肋管的优化方向，优选出最佳管型，最后采用最小二乘法回归出努谢尔特数与范宁摩擦系数关于雷诺数和三维管肋参数的实验关联式。结果分析表明，三维内肋管的综合特性优于相同管径的光管，换热系数最高可达光管的3.15倍，热力性能系数最高可达光管的1.45倍，验证了大管径三维内肋管在管式换热器中运用的可行性；在影响三维内肋管的各主要参数中，肋密度对流动换热特性的影响最大，肋高有一定的影响，肋间距次之，肋宽最小，为今后强化管参数设计提供了优化方向。
　　数值模拟采用ANSYS CFX和FLUENT软件，选取直径为102mm的光管和三维内肋管，对两根管进行流动和换热的模拟，对比分析相同工况下的压力场、速度场、温度场。结果表明：空气流经肋时发生绕流，在肋间的近壁面处加速，除具有轴向速度外还具有周向速度和径向速度，增加了流体流动的湍流度，减薄了热边界层厚度，此外，流体横向冲刷三维肋，导致其与肋之间的对流换热系数增大，均有利于强化对流换热。

目录

主要符号说明

1 绪 论

1.1 课题背景

1.2 强化传热技术

1.3 单相流体管内强迫换热现状

1.4 本文的主要研究内容与工作

2 实验装置和实验过程

2.1 实验装置

2.2 实验过程

2.3 数据处理

2.4 小结

3 三维内肋管换热和流动特性的实验分析

3.1 89mm管径三维内肋管的实验研究

3.2 102mm管径三维内肋管的实验研究

3.3 小结

4 三维内肋管换热和流动特性的数值模拟

4.1 软件简介

4.2 模拟过程

4.3 模拟结果

4.4 小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文

B. 作者在攻读硕士学位期间参与的项目