异型热管换热器强化传热及结构优化数值模拟研究

摘要

热管具有高效传热性能，被广泛应用于诸多领域。因此，对热管内流体的流动及传热强化，以及热管换热器的传热性能的研究与结构优化，具有重要的理论意义和应用价值。我国热管技术发展的两大主题之一是开发研究，充分发挥热管各项技术方面的特点，综合其他各方面学科优势，进一步开发研究出一套新型的高效传热传质换热设备。使得一些传统换热设备发生根本性的变革，从而提高换热设备整个系统的安全可靠性及其效率。目前，国内外研究机构和学者对热管各种强化传热的研究，主要是在圆柱形热管的基础上进行的，并且对热管的研究主要以实验研究为主。本文以流体力学和传热学为基础，应用大型流体计算软件FLUENT对热管换热器进行数值模拟。本研究主要提出异型热管换热器模型，再通过FLUENT软件对异型热管换热器的传热特性进行数值模拟研究。
　　本研究主要内容包括：⑴通过对国内外现状的研究与分析，提出异型热管换热器模型并建立出二维异型热管换热器的模型。然后，对所建立的异型热换热器进行数值模型研究。经研究分析得出：圆形热管的传热系数从前排到后排近似符合抛物线分布；三角形热管的热管系数从前排到后排维持高的传热系数不变，在此热管换热器中三角形热管能到达强化传热的目的；正方形热管从前排到后排传热系数近似符合指数分布。综以上分析可以看出在热管换热器中合理选择热管形状可以到达强化传热的目的。⑵根据工业过程中热管换热器的应用情况，热管的当量直径为20mm，工作介质空气的流速为10~14m/s为研究模型。通过对异型热管换热器传热特性的分析，建立起异型热管混排结构，并利用正交实验进行结构优化研究。通过研究分析得出：改变热管换热器内部不同位置上的热管类型及管间距，可以有效的提高热管换热器的传热能力。同时，利用正交实验进行结构优化研究。经研究分析得出在所建立的模型下的优化模型为：第一排三角形热管，第二排圆形热管，第三排三角形热管，第四排正方形热管，第一排与第二排的行间距为40mm，第二排与第三排的行间距为40mm，第三排与第四排的行间距为35mm，每排管的排间距均为40mm。

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第一章 绪论

1.1 本研究的背景及意义

1.2 热管及热管换热器国内外研究现状进展

1．3 本文研究的主要内容

第二章 热管及热管换热器的理论研究及设计方法

2.1 重力热管

2.2 热管换热器设计模型与研究

2.3热管换热器模型

2.4本章小结

第三章 异型热管换热器强化传热数值模拟研究

3.1计算模型前处理

3.2流动与传热的控制方程

3.3 参数设置

3.4异型热管换热器数值模拟及结果分析

3.5 异型热管混排强化传热数值模拟研究

3.6 本章小结

第四章 异型热管换热器结构优化数值模拟研究

4.1 参数优化设计

4.2 计算过程及计算结果分析

4.3 本章小结

第五章 基于协场同理论在异型热管换热器中传热性能研究

5.1 协场同理论

5.2 热管换热器强化传热协场同分析

5.3强化传热的综合判定

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1全文总结

6.2展望

参考文献

附录

致谢