凹凸板式换热器耦合换热的数值分析与优化研究

摘要

金属板片是板式换热器最主要的部件，它的表面形状是影响热量和动量传递的主要因素。本文基于强化换热原理，以数值研究为方法，对凹凸板式换热器的双流道耦合换热过程的流动换热性能与阻力特性进行了研究，并提出了一种新型波浪形凹凸换热板片。本文的主要工作和结论有：
　　（1）分别对光滑板式和凹凸板式换热器双流道耦合换热过程进行了数值研究。首先确定了适于本文的标准k-ε模型和增强壁面函数，热流体侧以氮气为工质，冷流体侧以氦气为工质，以光滑板式与凹凸板式换热器双流道为研究对象，利用Fluent进行了换热性能和阻力特性的数值计算。结果表明:无论是平板流道还是凹凸板式换热器流道中，总换热量Q、表面换热系数h和Nu变化规律较为一致，均随Re增加而增加，且增长率随Re的增大逐渐降低；阻力系数f值随Re的增大而减小，但变化趋势逐渐平缓；基准平板流道的综合换热性能Nus/fs1/3值得变化范围为246~566，随 Re的增大而增大；凹坑处协同角减小，说明凹坑结构有利于流场与温度场协同性的提高。
　　（2）本文对耦合换热过程中凹凸板式换热器双流道进行了结构参数和流动参数的多目标优化研究。以Workbench为仿真优化平台，确定了优化目标和变量范围，采用了遗传算法，综合考虑了不同Re下换热器的最佳结构参数，优化结果表明：响应面预测值与试验值相吻合，因此优化结果准确可靠；凹坑/凸胞深度h和板间距H对目标函数Nu、f和PEC有决定性作用，凹坑半径R次之，凹坑分布间距P的影响则可忽略不计；不同流动参数下圆形凹坑流道的最佳结构参数为P=26mm，R=7mm，H=15mm，h=3mm；对凹凸板换热器的125组数据进行了多元线性回归的数据分析，得到了其流动换热准则关系式。
　　（3）基于对光滑板式和凹凸板式换热器双流道耦合换热过程的数值计算和模拟结果，本文提出了一种波浪型凹凸板片，分析了其双流道耦合换热过程的传热与流阻特性。对比了波浪形凹凸板片、光滑板片和圆形凹凸板片的热力性能，分析了波浪形凹凸板结构参数与流动工况对耦合换热过程的影响。结果表明：通过对比波浪形凹凸流道和最佳圆形凹凸流道的耦合换热过程，发现波浪形凹凸流道的传热性能相较于最佳圆形凹凸流道的传热性能有所增强，但差距随Re增大而减小；而波浪形凹凸流道的阻力系数f较最佳圆形凹凸流道的阻力系数 f有明显下降；波浪形凹凸流道的综合传热性能好于最佳圆形凹凸流道和光滑流道；用正交试验的方法研究了主要结构参数对波浪型凹凸板双流道耦合换热过程的影响，发现无论是考虑Nu、f还是综合换热性能，Re都是最敏感的参数，其次是横波波长L，而振幅h对三者均无显著影响。

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1 绪论

1.1 研究目的及意义

1.2 国内外研究情况

1.3 本文的主要研究内容

2 凹凸板式换热器耦合换热的数值计算方法研究

2.1 凹凸板式换热器的计算模型

2.2 数学模型

2.3 网格独立性分析

2.4 凹凸板式换热器换热性能评价方法的研究与选取

2.5 平板流道与凹凸蜂窝板流道换热性能数值计算结果对比及分析

2.6 凹凸板式换热器场协同分析

2.7 本章小结

3 凹凸板式换热器耦合换热的多目标优化研究

3.1 仿真优化平台简介

3.2 凹凸板式换热器的多目标优化设计

3.3 优化结果与分析

3.4 本章小结

4 波浪形凹凸板式换热器耦合换热的研究

4.1 波浪形凹凸板片的几何特征

4.2 数学模型和物理模型

4.3 波浪形凹凸板、最佳最佳圆形凹凸板与光板的换热性能对比分析

4.4 阻力性能对比分析

4.5 综合评价指标对比分析

4.6 基于正交试验的波浪形凹凸板影响因素分析

4.7 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 创新点

5.3 展望

参考文献

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果

致谢