管内核心流分段填充多孔介质的传热强化分析

摘要

在能源、电子、化工、石油、制药等各个行业中，换热器都是不可或缺的重要设备。换热设备的换热能力以及换热效率的高低直接影响到以上各个行业的生产效益和产业发展。在现代社会中，一方面科学技术迅猛发展，科技产品日新月异，人类的生活水平和生活质量不断提高，对能源的需求和依赖日趋强烈；另一方面，全球能源严重短缺，供应紧张，二者形成强烈矛盾。能源的短缺和匮乏严重地制约了人类社会发展进步的可持续性，没有能源的供应保障，人类社会发展到一定阶段便受到巨大阻力，发展速度骤减，最终面临的便是停滞不前。因此，针对换热设备的换热能力和换热效率的提高这一目标，对强化传热技术进行长期、广泛、深入的研究是非常有必要的。
　　 在各种强化传热技术中，基于管内核心流强化传热理念的管内插入扭带的强化传热技术和在管内层流充分发展段的核心流区域部分地填充多孔介质强化传热技术，与传统的在流体边界区域采取传热强化措施不同，上述两种强化传热技术主要是针对流体流动的中心区域而采取的传热强化措施。
　　 本文通过对圆管管内层流充分发展段的核心流区域的测试段分段填充多孔介质，并建立管内流体的流动与传热的数学模型，对位于圆管层流充分发展段的核心流区域测试段以不同的填充密度分段填充多孔介质后各种多孔强化管的流体流动和传热进行了数值模拟计算和分析。数值模拟结果表明：在管内层流充分发展段内填充金属多孔介质后，边界流的温度梯度较大，管内核心流的温度分布比较均匀，圆管壁面与管内流体之间的换热得到明显强化，在分段填充的单元管长相同的情况下，多孔介质填充密度越大，多孔强化管的换热性能越强。此外，当多孔介质填充密度相同时，分段填充多孔介质的基本单元管长越小越好。