三边安装三角形涡产生器矩形截面通道内流动与传热特性的数值研究

摘要

板翅式换热器因其具备效率高、强度大、质量轻、体积小等优点，从而被广泛使用在多种工业领域。随着技术的不断进步，人们对板翅式换热器换热能力的要求也明显提高，为此非常有必要进一步提高板翅式换热器的换热能力。目前板翅式换热器常用的增强换热能力的方法有选用波纹翅片增加横向涡强度以及换热面积，选用锯齿形翅片切断边界层等。考虑到二次流可以在不过多增加流动阻力的情况下大大强化传热这一事实，本文提出一种特殊的翅片结构，即在矩形截面通道的其中三个面上加装三角形涡产生器来强化纵向涡强度，并以此达到强化传热的目的。
　　本研究选取一周期性计算区域，并对区域进行离散，用固体标识法标出三角形涡产生器，然后采用数值方法对矩形截面通道安装涡产生器后的换热特性进行数值计算。在Pr=0.696-203和Re=200-1000条件下，通过改变三角形涡产生器的高度、攻击角以及其在矩形截面通道内的相对安装位置，分析模拟努塞尔数Nu和阻力系数因子f随雷诺数、涡产生器高度、涡产生器与流体来流方向的夹角以及涡产生器之间的相对距离大小的变化关系。最后用二次流强度随各参数的变化情况来解释这种结构能够达到强化传热的机理，并对数值结果进行了多参数拟合。
　　研究结果表明矩形截面通道内三个面上的三角形涡产生器可以引导矩形截面通道内的流体在向前流动的过程中旋转起来，由于涡旋运动在流动过程中不断得到加强，叠加的涡旋运动有效的强化了换热效果；三角形涡产生器能够产生较强的二次流使得矩形截面通道内大范围的换热能力得到增强；在相同雷诺数下，Nu和f均随矩形截面通道高宽比和涡产生器相对间距的增大而减小，随着涡产生器高度的增大而增大。对于涡产生器与主流方向的夹角，当α<45°时，Nu和f随着α的增大而增大；当α>45°时，Nu和f随着α的增大而减小。在相同结构参数下，随着雷诺数的增大，Nu均随之增大，而f均随之减小。在不同结构参数的影响下，二次强度与努塞尔数有着相同的变化趋势，增强二次流强度同样能起到强化传热的效果。换热介质同样能影响翅片的换热性能，在一定范围内随着普朗特数Pr的增大，翅片的换热能力增强。

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1 绪论

1.1 板翅式换热器的基本结构

1.2 研究背景及国内外发展现状

1.3 研究目的

1.4 本文主要工作

2 三边安装三角形涡产生器矩形截面通道换热器的物理模型

2.1 模型结构

2.2 模型结构参数

2.3 数值模型以及边界条件的建立

2.4 传热及流动参数定义

3 数值方法

3.1 计算平面的离散

3.2 控制方程的转换

3.3 代数方程的建立

3.4 初始条件及边界条件的离散

3.5 速度和压力的修正

3.6 数值求解收敛准则

4 网格生成

4.1 计算区域网格生成

4.2 网格独立性考核

4.3 结果对比与数值方法验证

5 数值结果与分析

5.1 温度场特性

5.2 翅片表面局部换热特性

5.3 流道内流体流场特性

5.4 各参数对换热性能的影响

5.5 矩形截面通道内二次流特性

5.6 准则关联式

6 强化传热的评价

结论

致谢

参考文献

附录A 符号表

攻读学位期间研究成果