桁架结构热交换器流动与传热实验研究

摘要

高温结构的散热问题一直是工程领域普遍关注的问题，尤其在航空航天以及其他高精尖领域，强化结构的散热一直是相关专家研究探讨的热点问题，研究并开发适用于不同工况要求的高效能换热设备已经成为当前换热技术发展的主要趋势。换热面积的拓展对热交换器换热效果的提升效果明显，桁架结构热交换器其高效热管理系统具备轻质、紧凑、高热效率和低流动阻力等众多普通换热设备不具备的优点，使其具有重大的科研和工程应用价值。 为开展桁架结构热交换器流动和传热情况的研究，并验证这一新型热交换器的可行性，本文工作基于给定的实验工况范围设计搭建相关实验平台，对三个紧凑度（798m2/m3、1331m2/m3、2427m2/m3）的桁架结构热交换器进行实验，通过控制冷、热工质入口温度和流速，测量工质进出口温度、压力和流量，观察实验现象，总结实验规律并归纳出不同工况的实验关联式。结果表明：随空气流速的增加，热交换器的换热量增加，且紧凑度越大换热量增加的越快；热交换器的总传热系数呈现对数增长的趋势，空气侧压降则呈现指数增长趋势，即增强换热效果的同时流动阻力严重恶化。随空气来流雷诺数增加，热交换器效能有所降低，紧凑度越大，效能越高，不同紧凑度的热交换器效能变化趋势相同；总压恢复系数随雷诺数增加迅速减小，紧凑度越大，总压恢复系数下降速率越快。 另外，本文基于FloEFD软件对桁架结构热交换器模型进行数值模拟工作，研究桁架结构热交换器内部流动和传热情况，发现模拟结果与实验结果比较吻合，并得到以下结论：从入口到出口呈现温度和压力明显的分层式递减趋势；空气入口前端出现小范围的高温高压区域，且空气入口速度越大，高温高压区域相应增大，在l*=0.28位置出现温度和压力的极值。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 强化传热技术介绍及目的和任务

1.2.1 强化传热技术介绍

1.2.2 强化换热技术目的和任务

1.3 桁架结构热交换器简介

1.4 桁架结构热交换器国内外研究进展

1.4.1 国外研究进展

1.4.2 国内研究进展

1.5 研究方法与内容

1.5.1 研究方法

1.5.2 研究主要内容

2 桁架结构热交换器实验系统及方法

2.1 实验目的

2.2 桁架结构热交换器实验系统

2.2.1 加热空气供给系统

2.2.2 加热水供给系统

2.2.3 测量系统

2.2.4 数据采集系统

2.3 实验方法

2.4 实验步骤

3 桁架结构热交换器实验研究

3.1 实验台系统热平衡分析

3.2 实验台系统可靠性重复性验证

（1） 水侧直管段压力重复性

（2） U 型管进出口压差重复性

（3） U 型管水出口温度重复性

（4） 空气侧直管段压力重复性

（5） 空气侧进出口压差重复性

（6） 空气侧出口温度重复性

3.3 实验处理方法

3.3.1 实验数据筛选

3.3.2 实验数据处理

3.3.3 实验不确定度分析

3.4 实验工况

3.5 桁架结构热交换器换热性能分析

3.5.1 入口空气流速对热交换器换热量的影响

3.5.2 空气来流雷诺数对热交换器效能的影响

3.5.3 入口空气流速对热交换器换热系数的影响

3.6 桁架结构热交换器阻力性能分析

3.6.1 入口空气流速对热交换器阻力性能的影响

3.6.2 空气来流雷诺数对热交换器总压恢复系数的影响

3.7 性能评价与实验关联式总结

3.7.1 桁架结构热交换器性能评价

3.7.2 传热系数经验关联式

3.7.3 流动阻力系数经验关联式

3.8 本章小结

4 桁架结构热交换数值模拟及优化

4.1 FloEFD介绍

4.1.1 FloEFD研发背景和历史

4.1.2 FloEFD的特点和优势

4.2 桁架结构热交换器流动及换热数值模拟

4.2.1 物理模型

4.2.2 模型假设

4.2.3 控制方程

4.2.4 边界条件与物性参数

4.3 模型求解

4.3.1 网格无关验证

4.3.2 数值模拟过程

4.4 数值模拟结果分析

4.4.1 实验模拟对比分析

4.4.2 压力场、温度场分析

4.5 优化设计方向

4.6 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参 考 文 献

符号说明

攻读硕士学位期间发表学术论文

致谢

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