一种矩形通道内纵向涡强化传热元件设计研究

摘要

本文在纵向涡强化传热机理基础之上设计改进提出了一种新型的可以产生纵向涡的螺旋肋，并通过数值计算的方法分析了单螺旋肋的强化传热性能，与单直肋和光滑通道作比较，得出单螺旋肋的压力降比单直肋高21％-24%的同时也带来了22%-31%的换热系数的提高，随后从温度场、压力场、速度场阐释其纵向涡强化传热内在机理。
　　确定设计提出的螺旋肋具有较好的强化传热性能后，提出在矩形通道内上下两壁面该元件的同向、叉向、叉向前后错列三种排列方式，并在一系列雷诺数下计算分析了排列方式对传热和流动的影响，以同功耗强化传热指标作为衡量，叉向前后错列排列方式的性能指标比其他两种高出18%-27.5%，故确定为最佳排列方式，并命名为十字螺旋肋。
　　在确定十字螺旋肋单元形式后，建立了入口段矩形通道单元的模型，分析雷诺数的变化对该换热通道的阻力损失和换热系数的影响，从温度场、压力场、速度场角度来分析强化传热内在机理，并研究了冲角β的变化对流动和换热的影响。与传统不连续十字交叉肋相比，十字螺旋肋在所研究雷诺数范围内压力损失增加12%-29%，努赛尔数增加16%-73%的结果；在此基础又建立了安装有10对十字螺旋肋元件的长矩形通道模型，分析了普朗特数和雷诺数对该矩形通道的流动和换热的影响，压力损失增长9.18%-33.6%，努赛尔数增加7.1%左右。
　　确定十字螺旋肋的流动与换热规律后，本文又进一步对该元件的几何参数肋高a、肋宽b、肋长c、旋转升角α和布置个数n进行了探讨，建立了a=1-5mm、b=5/3-25/3mm、c=20-40mm、α=90°-450°、n=2-10范围内的若干模型，并在一些列雷诺数下计算不同几何参数的模型的流动和换热过程，最后得出了各参数变化在不同雷诺数下对压力降和努赛尔数的影响和变化规律。

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图 表 清 单

注释表

第一章 绪论

1.1纵向涡强化传热技术的研究意义

1.2纵向涡强化传热技术研究现状

1.3本文研究内容

第二章 纵向涡强化传热内在机理分析

2.1对流传热问题的数学描写

2.2纵向涡强化传热机理

2.3纵向涡旋的产生与发展

2.4性能评价准则参数

第三章 矩形通道内螺旋肋的设计研究

3.1螺旋肋的设计思路

3.2模型验证性计算

3.3单个螺旋肋性能分析

3.4 螺旋肋对在矩形通道内排列方式的确定

3.5小结

第四章 矩形通道内十字螺旋肋的换热和流动特性数值模拟

4.1进口段模型数值模拟

4.2充分发展段矩形通道模型数值模拟

4.3小结

第五章 十字螺旋肋几何参数的影响分析与优化设计

5.1肋高a的影响

5.2 肋宽b的影响

5.3肋长c的影响

5.4 肋扭曲升角α的影响

5.5衰减周期的影响

5.6小结

第六章 总结及展望

6.1对研究工作的总结

6.2对研究工作的展望

参考文献

致谢

在校期间的研究成果及发表的学术论文