扭曲管换热器数值模拟及参数优化研究

摘要

扭曲管是一种高效强化换热管，其椭圆形截面连续扭转形成螺旋流道，流体旋转流动，在横截面上形成二次流。扭曲管换热器在壳程形成自支撑结构，流体沿纵向螺旋流动，增强了流体混合和湍流强度，工程应用价值很高。采用数值模拟方法，对扭曲管换热器管程和壳程的传热与流阻特性进行研究，最后提出两种异型扭曲管。本文主要内容和结论如下:
　　(1)扭曲管单管数值模拟与参数优化。首先确定了优化设计的目标，利用数值模拟方法进行单因素分析确定了优化计算的变量约束空间。利用Workbench仿真平台对扭曲管进行参数优化，结果表明内长半轴a比导程S对综合评价指标η的影响要大，在S取78～105mm与a取10.2～10.68mm时进行参数组合，强化传热效果较好。通过流场、温度场、二次流、局部Nu及场协同角分析了管内强化传热机理。根据540组计算结果，拟合了扭曲管单管Nu和f的准则关系式。
　　(2)扭曲管换热器壳程传热与流阻特性数值研究。采用六边形筒体，分析了壳程流体流动的情况，温度分布的特点，表明壳程流体周期性的旋转流动和扭曲管长轴支撑处的尾流都对壳程传热起到强化作用，导流筒能有效防止壳程短路。比较几何结构对壳程传热和流阻的影响，结果表明导程S减小或外长半轴a0增加，Nu和f都增加，a0对Nu和f的影响较S大。同时根据128组计算结果拟合了扭曲管换热器壳程Nu和f的准则关系式。
　　(3)提出两种异型扭曲管并研究其传热与流阻特性。对于双向扭曲管，分析了几何参数对其综合评价指标η影响，并与扭曲管进行了对比，表明双向扭曲管η要高于扭曲管，仍是在Re小于20000时具有较好的强化效果，最后进行了参数优化，在S取100～130mm与a取10.15～10.45mm时进行参数组合，强化传热效果较优;对流场和二次流进行分析，表明流体旋转流动的方向周期性改变进一步强化了对流传热。对于螺旋内肋扭曲管，分析了肋高e、肋数N、a和S对其传热和流阻特性的影响，采用低肋和较少肋数，a越大，S越小，η越大，且S对η的影响最大;相比之下螺旋内肋扭曲管在Re取2300～50000范围内η都有较高的值，极大的拓展了扭曲管的使用范围。

目录

声明

摘要

符号说明

1 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 换热器强化传热技术

1．2．1 强化传热技术研究进展

1．2．2 强化传热理论

1．2．3 强化传热技术评价准则

1．3 扭曲管换热器国内外研究进展

1．3．1 扭曲管换热器国外研究进展

1．3．2 扭曲管换热器国内研究进展

1．4 研究内容及章节安排

2 扭曲管单管数值模拟与参数优化

2．1 数值计算方法

2．1．1 数值模拟思想与理论

2．1．2 Ansys Workbench仿真优化平台

2．2 扭曲管优化设计的计算方法与约束空间的确定

2．2．1 扭曲管优化设计的计算方法

2．2．2 约束空间的确定

2．3 基于Workbench的扭曲管目标驱动优化

2．3．1 目标驱动优化方法

2．3．2 扭曲管优化结果分析

2．4 扭曲管强化传热机理分析

2．5 扭曲管传热与流阻准则关系式拟合

2．6 本章小结

3 扭曲管换热器壳程传热与流阻特性研究

3．1 扭曲管换热器壳程数值计算方法

3．2 扭曲管几何尺寸对壳程传热与流阻特性的影响

3．2．1 椭圆截面尺寸对壳程传热与流阻的影响

3．2．2 导程对壳程传热与流阻的影响

3．3 扭曲管换热器壳程流动与传热特性分析

3．4 扭曲管换热器壳程传热与流阻准则关系式拟合

3．5 本章小结

4 异型扭曲管管内传热与流阻特性研究

4．1 新型扭曲管的提出

4．2 双向扭曲管传热与流阻特性研究

4．2．1 双向扭曲管数值计算方法

4．2．2 几何参数对双向扭曲管传热与流阻性能的影响

4．2．3 双向扭曲管与单向扭曲管性能对比

4．2．4 双向扭曲管参数优化

4．2．5 双向扭曲管强化传热机理分析

4．3 螺旋内肋扭曲管传热与流阻特性研究

4．3．1 螺旋内肋扭曲管数值计算方法

4．3．2 结构参数对螺旋内肋扭曲管传热与流阻特性的影响

4．3．3 螺旋内肋扭曲管与扭曲管综合性能比较

4．3．4 螺旋内肋扭曲管强化传热机理分析

4．4 本章小结

5 结论与展望

5．1 结论

5．2 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