管内流体脉动条件下波纹管传热和阻力特性研究

摘要

自上世纪七十年代初期石油危机爆发以来,能源紧张的状况日趋严重,为了缓解能源的紧张状况,最大限度地利用热能和回收余热,对换热设备进行强化传热一直是国内外学者的研究热点。波纹管和脉动流作为两种不同的强化传热方法一直以来都被单独研究,对它们同时进行研究的成果还比较少。本文通过数值模拟和实验研究两种方法研究管内脉动流体对波纹管传热和阻力特性的影响,探讨波纹管和脉动流同时使用时实现复合强化传热的可能性。本研究主要内容包括：
　　⑴在数值模拟部分,利用Fluent软件,模拟了恒壁温条件下波纹管在管内流体入口平均流速为0.03~0.05m/s(层流)和1~2m/s(湍流)、脉动频率2~10Hz、脉动振幅0.2~1的脉动流条件下的传热和阻力特性,讨论了脉动频率和脉动振幅对传热和沿程阻力的影响,并从波纹管波节内的流场在不同时刻的变化角度分析了脉动流能强化传热的原因。
　　⑵针对数值模拟的结果,通过性能评价准则数(Kp/Ks)3.5-(Δpp/Δps)衡量了管内流体脉动对波纹管传热和阻力特性的综合影响。结果表明:
　　层流状态时,较低脉动频率和较高脉动振幅的脉动流能强化波纹管的传热,同时使沿程阻力增大,但其对传热的强化效果比沿程阻力的增大更加明显,使得波纹管具有较好的综合性能。脉动频率为2Hz、脉动振幅为1时,波纹管的综合性能最好。波纹管和脉动流同时应用可以实现复合强化传热效果。
　　⑶湍流状态时,脉动流并不能使波纹管具有较好的综合性能,甚至会使其恶化,这主要是由于湍流条件下传热已经较充分,脉动流对传热的强化效果有限,而脉动流会使沿程阻力显著增大,沿程阻力的增大将传热强化的作用抵消了。
　　⑷在实验研究部分,通过搭建实验平台,对波纹管在管内流体入口平均流速为1m/s、1.5 m/s、2 m/s,脉动振幅0.01,脉动频率0.5~3.5Hz的脉动流条件下的传热特性进行了研究。实验结果表明:在不同的条件下,相比于稳态流,脉动流既能强化也能弱化波纹管的传热。

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第1章 绪论

1.1 课题的研究背景和意义

1.2 强化传热技术概述

1.3 波纹管强化传热研究现状

1.4 脉动流强化传热研究现状

1.5 流体脉动传热与流动过程的预测方法

1.6 计算流体力学软件Fluent简介

1.7 论文的主要研究内容

第2章 管内流体脉动条件下波纹管传热和阻力特性的数值研究

2.1 简化假设及几何模型

2.2 网格的生成

2.3 数学模型

2.4 Fluent数值计算

2.5 数值计算结果与讨论分析

2.6 波纹管内脉动流强化传热的原因分析

2.7 本章小结

第3章 管内流体脉动条件下波纹管的性能评价

3.1 强化传热的性能评价方法

3.2 管内流体脉动条件下波纹管的性能评价

3.3 本章小结

第4章 波纹管内湍流脉动传热的实验研究

4.1 实验目的

4.2 脉动流发生器

4.3 实验系统介绍

4.4 实验流程

4.5 实验结果分析

4.6 实验的误差原因分析

4.7 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

附录1 实验数据

附录2 攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢

项目资助