一种正交凹槽流道的流动与传热特性及应用研究

摘要

初级能源消费中80％要经历传热和换热设备，传热过程效率的高低将直接影响各个行业中的能源使用效率。近年来的研究表明，混沌对流能够显著地强化混合与传热，这为设计高效紧凑的混合与换热设备提供了一种新思路和新方法。本文通过理论分析、数值模拟与试验手段，研究了混沌对流的强化传热及混合特性，提出了一种方便制造和工程应用的正交凹槽混沌对流结构，分析了其流体流动与传热、混合特性，讨论了其在静态混合器以及板翅式换热器中的应用状况。本论文的主要工作为:
　　1、对L型混沌流道与普通平直流道内流体的流动与传热特性进行了三维数值模拟与比较分析，结果表明，L型混沌流道可以使流体在较小的流速条件下产生混沌对流，这种流动形态可以促进流道内主流区流体与近壁面附近流体间的相互混合，增加了流体间的相互扰动，使得流道内各个截面的温度分布更为均匀，从而强化了传热。
　　2、基于混沌对流形成的特点，提出了一种在流动方向上具有正交凹槽结构的新型混沌流道，并采用正交实验设计方法，分析了流道宽度、流道高度、凹槽深度、凹槽直径、平直段长度等结构参数对流体流动和传热性能的影响，同时还采用田口方法对其综合性能进行了评价分析。
　　3、综合研究了正交凹槽流道内的流体流动与传热特性。结果表明，在层流流动时，流道的进口影响长度远小于普通平直流道进口影响长度，且在充分发展段流体流动与传热具有周期性特性;Re数和Pr数对传热与流动的影响与普通层流相差甚远。得到了正交凹槽混沌对流结构的传热Nu数与摩擦阻力系数f的计算表达式。简单介绍了描述流道内流体混沌性能的几种常见方法，并提出了一种修正的李雅普诺夫指数的计算方法，该方法可以定量计算混沌对流中流线被折叠和拉伸的程度。
　　4、阐述了混沌对流与混合之间的关系，对正交凹槽流道内的混合特性进行了数值分析，定性、定量得分析了结构参数、雷诺数对混合效果的影响。分析得出，流道内物质面和物质线被拉伸与折叠的程度较大，混合效果就较好。流道中因参数变化得到的混合效果优劣，与得到的传热效果强弱关系完全一致。
　　5、根据板翅式换热器的制造特点，对板翅式换热器流道结构进行了研究，提出了一种正交凹槽混沌板翅式换热器。在分析该板翅式换热流道内的流体流动和传热性能时本文采用了单排的简化计算模型，并将其和单个混沌流道内流体的流动与传热性能进行了比较，结果表明其流动与传热特性可以用单个混沌流道内的特性来表征。拟合出了新型板翅式换热器的传热因子j和摩擦因子f'的计算表达式。
　　6、根据试验原理与实际的测量要求，制定了流体流动与传热的的试验方案，设计、制作了两套可分别用于流体流动与传热测量的冷模与热模试验装置，对试验结果与数值模拟结果进行了比较，结果发现，二者吻合较好。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 强化传热技术研究现状

1．2．1 传热强化机理及方法

1．2．2 常见强化传热技术介绍

1．2．3 场协同理论

1．3 板翅式换热器概述

1．3．1 板翅式换热器发展历史

1．3．2 板翅式换热器研究现状

1．4 混沌对流的研究

1．5 流体流动和传热的研究手段的发展

1．5．1 理论分析

1．5．2 实验研究

1．5．3 数值模拟

1．6 目前存在的问题

1．7 本文的主要研究内容

2 L型混沌流道流动与传热性能的数值分析

2．1 引言

2．2 L型混沌流道的数值模拟计算

2．2．1 数值模拟计算的理论基础

2．2．2 混沌流道的几何模型

2．2．3 网格划分及边界条件设置

2．2．4 数值模拟方法的正确性验证

2．3 计算结果分析

2．3．1 混沌流道的流体流动和传热

2．3．2 雷诺数的影响

2．4 本章小结

3 正交凹槽流道的提出与研究

3．1 引言

3．2 正交凹槽流道的结构设计

3．3 正交凹槽流道的数值分析

3．3．1 流道的参数范围选择

3．3．2 流道的计算模型

3．3．3 计算网格独立性考察

3．3．4 正交凹槽流道的数值分析

3．4 正交凹槽流道的性能评价

3．5 本章小结

4 正交凹槽流道内流体流动与传热特性研究

4．1 引言

4．2 正交凹槽流道的周期性特性研究

4．3 正交凹槽流道流动与传热影响因素研究

4．3．1 流动截面形状的影响

4．3．2 流动弯直比的影响

4．3．3 流动Re的影响

4．3．4 流动Pr的影响

4．3．5 宏观尺度的影响

4．3．6 计算关联式

4．4 正交凹槽流道混沌特性分析

4．4．1 混沌特性研究方法

4．4．2 李雅普诺夫指数的修正

4．4．3 流道混沌特性分析

4．5 本章小结

5 正交凹槽流道内流体的混合特性研究

5．1 引言

5．2 静态混合器

5．2．1 静态混合器的混合机理

5．2．2 混沌对流与混合

5．3 正交凹槽流道内流体的混合研究

5．3．1 多相流模型概述

5．3．2 混合的控制方程

5．3．3 物理模型及边界条件

5．3．4 计算结果及其分析

5．4 本章小结

6 正交凹槽流道在板翅式换热器中的应用

6．2 正交凹槽流道在板翅式换热器的应用

6．2．1 板翅式换热器的相关研究

6．2．2 板翅式换热器的制造特点

6．2．3 具有正交凹槽流道的板翅式换热器

6．2．4 新型混沌板翅式换热器的数值模拟

6．3 本章小结

7 混沌流道内流体流动与传热的试验研究

7．1 引言

7．2 流体流动的冷模试验

7．2．1 激光多普勒流速仪

7．2．2 试验原理

7．2．3 试验装置及流程

7．2．4 试验测量及数据处理

7．3 流体传热的热模试验

7．3．1 试验原理与装置

7．3．2 试验测量及数据处理

7．4 本章小结

8 总结与展望

8．1 总结

8．2 论文工作的创新之处

8．3 展望

参考文献

10 个人简历在学期间发表的学术论文与研究成果

致谢