纵向涡发生器强化矩形管对流换热的数值研究

摘要

强化传热技术在能源利用中起着重要的作用，并已成为现代热科学中一个引人注目的研究领域，而纵向涡发生器无源强化技术作为一种新型的强化传热方法也备受关注。纵向涡发生器通过产生涡旋，破坏边界层，对传热起到强化作用。其强化效果取决于由发生器产生涡旋的强度，旋向等，而涡旋又取决于纵向涡发生器的形状、大小及攻角等几何参数。本文首先通过实验研究了直角三角翼对纵向涡发生器强化矩形管内对流换热的效果，然后利用PHOENICS计算软件对实验进行了数值模拟，并通过改变纵向涡发生器的几何参数进一步探讨对强化换热效果的影响。在本文研究中运用计算机编程简化计算过程，列出数据表，绘出换热和阻力曲线图并推导出经验公式。 结果表明，在矩形管内置了纵向涡发生器之后，产生的纵向涡旋能使换热效果比光管有明显的提高，在过渡状态，相同Re数下，换热效果增加了39％～61％。当Re≈8000时，Nu数增加了61％。利用PHOENICS计算软件可以较好地完成直角三角翼对纵向涡发生器强化矩形管内对流换热的数值模拟，模拟结果与实验结果符合较好。为了方便比较，本文定义了三种纵向涡发生器，分别是Ⅰ型发生器，高宽比为0.5，大小为10mm×5mm； Ⅱ型发生器，高宽比为0.6，大小为10mm×6mm；和Ⅲ型发生器，高宽比为0.5，大小为8mm×4mm。通过比较Ⅰ型发生器和Ⅱ型发生器的模拟结果，可以得到不同高宽比的发生器的强化换热效果。 Ⅰ型发生器的A值在1.28～1.37之间，Ⅱ型发生器的A值约为1.26，Ⅰ型发生器的A值比Ⅱ型发生器的A值大0.03～0.11，表明在本文研究条件下， Ⅰ型发生器比Ⅱ型发生器更有利于强化传热。比较Ⅰ型发生器和Ⅲ型发生器的模拟结果可以得到不同翼高的发生器对换热的强化效果。Ⅲ型发生器的强化传热综合性能指标为1.12～1.19，基本上随着Re数的增加而减少，Ⅰ型发生器的A值比Ⅲ型发生器的A值增加0.12～0.30，表明较小翼高的纵向涡发生器在过渡流范围内的强化换热效果并不十分理想。攻角也是影响换热效果的重要参数之一，对Ⅰ型发生器攻角为30°的情况进行数值模拟，并把模拟结果和攻角为45°的情况作比较。结果表明，攻角β为30°时，换热效果比光管大约增加了25％。阻力系数增加幅度基本上保持一致，攻角为30°的阻力系数比比光管的阻力系数增加了7％左右。攻角为30°的A值约为为30°的A值增加0.06～0.14，可见，1.23，攻角为45°的A值比攻角当Ⅰ型发生器的攻角为30°时，强化换热效果不如攻角为45°的情况。在本实验及模拟条件下的矩形管内纵向涡发生器的攻角设为45°是比较合理的。由数值模拟可以得到纵向涡的矢量图，从图像可知，要使纵向涡旋对换热有较好的效果，涡旋必须满足如下条件：涡旋发展完整、有明显的涡旋核心及涡偶间的相互影响适合。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

第二章纵向涡发生器强化矩形管对流换热的实验研究

第三章数值模拟

第四章数值模拟结果的讨论与分析

结论

参考文献

在位期间发表的学术论文

致谢