原生污水管内湍流流动与换热特性数值模拟研究

摘要

随着能源消费的日益增长，污水源热泵技术越来越受到人们的关注。但在污水源热泵技术的工程实践中发现，污水源热泵系统管道污垢的严重沉积，导致管道阻力增大，管内换热系数严重下降，从而导致系统整体运行效率低下。除此以外，污水源热泵系统设计计算时，缺乏相关计算参数，例如污水管内流动的沿程阻力系数和管内换热系数。本文以污水管内流动和换热为对象，研究在污垢底层作用下的污水管内湍流流动和换热规律，为污水源热泵工程系统设计提供合理的设计参数。该研究对推进国家可持续化绿色发展、促进污水源热泵技术、进而推动污水源热泵量大面广的应用具有重要意义。 首先，针对城市污水干渠中的原生污水，通过测试分析了原生污水中污杂物的有机成分和无机成分，测试了污水及污杂物的密度、导热系数、粘度及比热等相关参数，并对悬浮污杂物颗粒粒径分布进行研究； 其次，通过实验研究了污水管内流动阻力和污垢生长特性；并通过图像法测试了稳定沉积在污水管内表面的污垢层的形貌特征，确定了污垢底层作用下换热管表面的壁面粗糙度； 第三，建立了原生污水管内湍流流动和换热数学模型，通过实验数据验证了模型的适用性。通过数值模拟研究了污垢底层作用下原生污水管内湍流流动特性、固相浓度分布特性及管内换热特性，建立了污水管内流动阻力和表面换热系数的数学模型，分析了污水流动速度、污杂物浓度对管内流动阻力和换热的影响。

目录

声明

1 绪论

1.1 课题来源

1.2 课题背景及研究意义

1.3 研究概况

1.3.1 污水源热泵技术发展现状

1.3.2 污水污杂物成分检测分析研究现状

1.3.3 污水管内流动与换热研究概况

1.3.4 液固两相流数值方法及其在污水流动换热中的应用

1.4 当前研究存在的问题

1.5 本文的主要研究内容

2 原生污水污杂物成分分析

2.1 污水基本物性参数测试

2.1.1 污水采样及表观状态

2.1.2 污杂物样品

2.1.3 基本物性参数测试方法

2.1.4 测试结果分析

2.2 污水污杂物种类测定及含量分布

2.2.1 无机类污杂物成分测试

2.2.2 有机类污杂物成分测试

2.2.3 污杂物成分测试结果

2.3 污水污杂物颗粒粒径分布

2.3.1 污水污杂物颗粒粒径分布测试方法

2.3.2 污水颗粒粒径分布结果分析

2.4 本章小结

3. 原生污水管内湍流流动换热实验及壁面污垢形貌研究

3.1 原生污水管内湍流流动换热实验

3.1.1 实验目的

3.1.2 实验原理

3.1.3 实验平台

3.1.4 实验工况

3.1.5 实验污水物性参数

3.1.6 实验步骤

3.1.7 实验结果及分析

3.2 原生污水管内壁面污垢形貌研究

3.2.2 现场调研

3.2.3 测试方案及样品准备

3.2.4 测试结果及分析

3.3 本章小结

4 原生污水管内湍流流动换热数学物理模型及其验证

4.1 原生污水管内湍流流动数学模型

4.1.1 单流体模型

4.1.2 双流体模型

4.1.3 湍流模型及壁面函数

4.2 数学模型验证

4.2.1 几何模型及网格划分

4.2.2 数值计算方法

4.2.3 边界条件

4.2.4 物性参数设置

4.2.5 网格独立性分析

4.2.6 模型验证分析

4.3 本章小结

5 原生污水管内湍流流动及换热数值计算结果分析

5.1固相颗粒物浓度分布

5.1.1 浓度场分析

5.1.2 管内固相浓度分布的影响因素

5.2 污水管内流动特性分析

5.2.1 速度场分析

5.2.2 管道沿程阻力系数的影响因素

5.3 污水管内换热特性分析

5.3.1 温度场分析

5.3.2 管内平均对流换热系数的影响因素

5.4 数据拟合

5.4.1 量纲分析

5.4.2 公式拟合

5.4.3 公式精度分析

5.5 本章小结

结论

参考文献

附录A 主要符号表

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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