正反扭转扭带在圆管内层流换热特性探究

摘要

换热器的强化传热一直是工程和科研中的热点问题，螺旋扭带作为一种被动强化管内换热的技术，凭借其在换热和除垢方面的优势，逐渐被人们研究并应用。本文旨在探究一种新的变化形式的螺旋扭带在层流条件下的圆管内强化换热和摩擦特性，这种新的变化方式是结合正反扭转方式和扭带切口的方式。本文采用数值模拟配合实验探究的手段，对各类型扭带进行具体的探究。
　　数值模拟中，分别采用了光管、内插传统扭带、内插正反扭转扭带和内插带切口的正反扭转扭带4种结构，而对于各种类型的扭带又分别设置3种不同的节距进行对比，分别为y=42mm，y=63 mm和y=84mm，对应的节距比y/w=3.0，4.5和6.0。通过速度场和温度场的分析发现，插入扭带使得管内流体的速度场和温度场分布的更加均匀，有效地增大了管内流体的纵向运动，加强了流体的混合，同时也破坏了层流边界层，有效降低热阻，从而使得出口温度升高，提高了换热Nusselt数。同时，由于强烈的阻流作用，管内的摩擦系数也相应增大。相比传统扭带，插入正反扭转扭带使得换热管得到更高的换热Nusselt数、摩擦系数f和综合性能指数PEC，其中y/w=3.0的正反扭转扭带强化效果最好，其换热Nusselt数为光管的2.72-3.75倍，摩擦系数f为光管的5.87-6.42倍，相应的综合性能指数PEC为1.51-2.03。而y/w=3.0的带切口的正反扭转扭带在提高换热Nusselt数上与正反扭转扭带相差不大，为光管的2.14-3.61倍，其摩擦系数f相比则有较大的降低，为光管的5.05-5.70倍，相应的PEC为1.25-2.02。
　　实验中，采用y/w=3.0的带切口的正反扭转扭带的单类型扭带，采用在内管入口处设置4种不同长度的方式进行对比实验，分别为1/4长、半长、3/4长和全长扭带。结果表明，全长扭带在强化换热上变现较优，其换热Nusselt数是光管条件下的1.92-3.80倍，摩擦系数是光管条件下的3.69-6.30倍，最高的PEC达到了2.06。
　　文章最后对实验数据进行的多项式拟合，分别得到了换热Nusselt数和摩擦系数f的实验关联式，这对今后在该类型扭带的研究，有一定的参考意义。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 管壳式换热器的研究及发展现状

1．1．1 壳程强化技术

1．1．2 管程强化技术

1．2 螺旋扭带的研究及发展现状

1．2．1 国内研究现状

1．2．2 国外研究现状

1．3 螺旋扭带在工程实际中的应用

1．4 本文研究的主要内容

2 数值模拟

2．1 几何模型建立

2．2 网格划分

2．3 数值模拟计算

2．4 数值模拟结果分析

2．4．1 光管模型可靠性验证

2．4．2 插入传统扭带

2．4．3 插入正反扭转扭带

2．4．4 插入带切口正反扭转扭带

2．5 小结

3 实验准备

3．1 换热试验台整体设计

3．2 换热器局部设计及数据测量仪器

3．3 扭带详细结构及安装

3．4 层流实验数据计算公式

4 实验结果计算及讨论

4．1 实验可靠性验证

4．2 摩擦系数f结果分析

4．3 管内换热Nusselt数结果分析

4．4 综合性能指数PE口结果分析

4．5 实验关联式

4．6 小结

结论

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢