叉排圆管曲面梯形换热器翅片传热特性的数值研究

摘要

管翅式换热器是能源、动力、冶金、石化、交通运输、建筑等国民经济支柱产业生产过程中实现热量传递的核心装置和耗能设备。强化传热是一种提高换热器性能、降低制造成本、节约能源的重要途径。由于受到经济性及尺寸的限制使得翅片的面积不能无限的增加,为了进一步提高圆管管翅换热器传热性能,在翅片表面设置涡产生器是增强传热的有效措施。同时,现有研究结果表明圆管管翅换热器翅片表面与圆管尾流区域相接触的区域换热能力较差,圆管尾流区域的流动阻力损失较大。本文采用数值方法研究了一种在圆管尾流区域冲压而成的新型的曲面梯形涡产生器翅片的传热特性。
　　论文的主要研究内容是:建立物理数学模型;编制和调试需要的程序;分析曲面梯形涡产生器翅片强化传热的机理;研究涡产生器几何参数:涡产生器沿流向布置位置(过圆管中心的纵向轴与涡产生器起始点和圆管中心连线的夹角β,曲面涡产生器径向位置Dg,曲面涡产生器弧长L,涡产生器边长高度比H2/H1,翅片间距Tp)对翅片传热性能的影响。
　　论文的研究结果表明:
　　(1)与平片相比,曲面梯形涡产生器翅片使管尾的回流区明显减小,回流区的减小可以提高圆管尾部翅片表面的传热性能;
　　(2)曲面梯形涡产生器翅片能有效的产生纵向涡且增加二次流强度,有效的增加涡产生器下游翅片表面传热能力,同时无量纲二次流强度与努谢尔数的密切关系表明二次流强度决定着翅片的传热特性。
　　(3)过圆管中心的纵向轴,当曲面梯形涡产生器的起始点位置越靠近上游,在其他条件相同时,其能更有效地提高的换热器的性能;
　　(4)当曲面梯形涡产生器的径向位置约为圆管外径的1.8倍时,其传热性能较好;
　　(5)曲面梯形涡产生器翅片的弧长越小,其强化传热性能越好;
　　(6)较小的梯形高度比H2/H1有较低的流动阻力,因此曲面梯形涡产生器翅片也有较好的传热性能;
　　(7)在不同的Re数时,曲面梯形涡产生器翅片间距Tp均有一个理想的值。

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1 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究目的

1.3 本文主要工作

2 曲面梯形涡产生器翅片管翅式换热器的物理模型

2.1 曲面梯形涡产生器翅片管翅式换热器结构

2.2 曲面梯形涡产生器翅片管翅式换热器结构参数

3 曲面梯形涡产生器翅片管翅式换热器翅片侧数值分析模型

3.1 数学描述

3.2 边界条件及性能参数

3.3 区域离散化

3.4 控制方程离散化

3.5 边界条件离散化

3.6 速度和压力的耦合

3.7 数值结果收敛性判定准则

4 曲面梯形涡产生器翅片强化换热特性的实验研究

4.1 实验系统及装置

4.2 实验方案及步骤

4.3 实验数据的处理方法

5 数值方法考核

5.1 网格独立性考核

5.2 数值结果的准确性考核

6 曲面梯形涡产生器翅片对圆管尾流区的影响

6.1 曲面梯形涡产生器翅片与平片尾流区域的对比分析

6.2 圆管尾部翅片表面的强化传热的对比分析

7 曲面梯形涡产生器翅片对二次流强度的影响

8 曲面梯形涡产生器翅片的传热特性

8.1 传热特性的对比分析

8.2 流动阻力特性

9 曲面梯形涡产生器参数对翅片传热性能的影响

9.1 曲面梯形涡产生器的圆周位置对换热性能的影响

9.2 曲面梯形涡产生器的径向位置对换热性能的影响

9.3 曲面梯形涡产生器的弧长对换热性能的影响

9.4 曲面梯形涡产生器的边界高度对换热性能的影响

9.5 曲面梯形涡产生器翅片间距对换热性能的影响

结论

致谢

参考文献

附录A 符号表

攻读学位期间研究成果