正反螺旋扭带在波节管中的强化换热研究

摘要

强化换热技术广泛运用于工业生产领域中，如何提高换热器的效率一直是传热领域的研究热点。通过对波节管和螺旋扭带的研究，本文结合两者的特点，提出一种在波节管内插入正反螺旋扭带的复合强化传热方法，并基于ANSYS FLUENT软件在层流范围内对这种新型强化换热模型进行数值模拟。模拟计算选取400~1800的雷诺数范围，以水为流体工作介质，采用恒定壁温的边界条件，通过努塞尔数Nu、摩擦系数f和PEC值对换热模型的传热特性、阻力特性以及综合性能进行评价。 首先，根据光管、波节管、传统扭带和正反扭带的不同组合以及单独使用光管或波节管，一共建立了6组模型。在相同条件下对不同模型进行对比研究，结果表明单独使用波节管的换热效果要优于普通圆管，但是强化换热效果并不显著，扭带的插入能够使换热管的换热效果得到大幅提升，其中内插正反扭带的波节管具有最高的换热系数以及最高的综合性能指标PEC值。 其次，通过改变正反扭带和波节管的结构参数，研究了正反扭带的扭率、宽度和波节管的波节宽度、波节高度对换热模型传热特性、阻力特性以及综合性能的影响。结果表明，在同一雷诺数下，换热模型的换热系数和摩擦阻力随着正反扭带的扭率减小而增大，扭率较小的正反扭带具有较高的综合换热性能；而当正反扭带的宽度减小时，换热模型的换热系数、摩擦阻力和综合性能PEC值均随之降低；过大和过小的波节宽度或波节高度都会减弱内插正反扭带波节管的换热效果，在本文研究的模型中，波节宽度为13mm和波节高度为2.5mm时具有最佳的综合换热性能。 最后，通过改变正反扭带与波节管的配合方式，证明了波节管的波节和扭带的正反交界处对流场有极强的扰动，当正反交界处和波节处于同一轴向位置时，换热模型具有较好的换热效果和综合性能。

目录

声明

1 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 强化传热技术

1.3 研究现状分析

1.3.1 波节管研究现状

1.3.2 螺旋扭带研究现状

1.4 本文主要研究内容

2 数值模拟理论基础

2.1 计算流体力学

2.1.1 CFD技术简介

2.1.2 基本控制方程

2.1.3 数值计算求解过程

2.1.4 数值模拟软件介绍

2.2 强化传热技术的评价方法

2.2.1 综合性能指标PEC

2.2.2 核心流强化传热理论

3 管内传热与流动的计算模型

3.1 模型的结构参数

3.2 几何模型的建立

3.3 网格划分

3.4 数值计算相关设定

3.4.1 周期性边界条件

3.4.2 数值计算的基本假设

3.4.3 边界条件设置

3.4.4 求解设置

3.5 计算处理公式

3.6 模型验证

3.6.1 数值结果验证

3.6.2 网格独立性检验

4 结果分析与讨论

4.1 不同结构的模型对比分析

4.1.1 传热性能分析

4.1.2 阻力特性分析

4.1.3 综合换热性能分析

4.1.4 机理分析

4.2 正反扭带扭率的影响研究

4.3 正反扭带宽度的影响研究

4.4 波节管波节宽度的影响研究

4.5 波节管波节高度的影响研究

4.6 波节管与正反扭带位置的影响研究

结论

参考文献

附录A 符号说明

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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