蜂窝夹套结构参数对热力性能影响的数值研究

摘要

设计和制造高效节能的过程装备是现代工程节能的有效途径之一。蜂窝夹套是上世纪九十年代出现的一种新型高效的夹套。在整体夹套的基础上采用了蜂窝结构，蜂窝夹套不仅可以减小夹套和内筒壁厚，节约制造成本，而且具有比传统夹套更高的传热效率，因而广泛应用于化工、轻工、造纸、制药及食品等行业。目前蜂窝夹套的结构设计尚未成熟，国内外文献资料中很少有关于蜂窝夹套不同结构参数对其热力性能影响的研究。采用试验的方法对各种结构参数的蜂窝夹套的性能进行测试很难实现，随着计算流体力学和数值传热学的发展，数值模拟技术为建立和研究不同结构的模型提供了便利。
　　 本文应用数值模拟的方法对蜂窝夹套传热特性进行研究，结合正交设计和因素分析法探讨蜂窝锥度、蜂窝间距、蜂窝高度以及蜂窝排列形式等结构参数对夹套的传热性能和压力降的影响，并对0.4m2薄膜蒸发器蜂窝夹套进行了参数优化。本文的研究结果可以为蜂窝夹套的优化设计提供借鉴。主要研究工作如下：
　　 (1)针对蜂窝夹套的复杂结构，利用软件Pro/E对蜂窝夹套结构进行三维造型，将整体模型导入前处理软件GAMBIT中用非结构网格对实体模型进行网格离散，生成平滑的几何模型和良好的网格模型。
　　 (2)基于三维Navier-Stokes方程、标准κ-ε模型和SIMPLE算法，探讨应用CFD软件FLUENT对蜂窝夹套内三维湍流场进行了数值模拟计算的方法，得到蜂窝夹套内的流场分布和温度场分布，揭示蜂窝夹套强化传热的机理。
　　 (3)将模拟结果及所得结论与文献试验结果相比较，以验证数值模拟方法的可靠性。并将蜂窝夹套的流场和温度场与相同长度、直径和夹层高度的传统夹套的相比较，说明其传热优势和特点。
　　 (4)采用正交设计和方差分析法对不同结构参数蜂窝夹套的数值计算结果进行比较分析，旨在研究蜂窝锥度、蜂窝高度、蜂窝间距以及蜂窝排列形式等结构参数和流体流动状态对蜂窝夹套传热性能和压力降的影响，以探讨蜂窝夹套合理的结构形式。
　　 (5)通过研究蜂窝夹套内三维流场和温度场分布，分析蜂窝夹套内存在流动死区对传热的影响。探讨了通过在蜂窝夹套内设置折流板的方法来增加流体流速、消除流动死角并提高其传热性能，同时分析了合理的折流板布置方式。