一种新型扭带对管内对流换热影响的研究

摘要

管内强化传热技术广泛应用于各个工业领域中。作为一种被动强化传热技术，管内插入螺旋扭带是一种简单而有效的方法。扭带能改变流体流动的流道，减小边界层厚度，从而起到强化传热的作用。但扭带的插入也会增大管道的摩擦阻力系数。因此，目前国内外的研究重点是通过改变扭带的形状来平衡Nu数和摩擦阻力系数f,以获得更高的综合性能指标PEC(performance evaluation criteria)。本文提出了一种新型扭带，并采用数值模拟和实验研究的方法，研究了扭带对管内对流传热和流阻特性的影响。
　　在数值模拟过程中，对于流体层流状态（Re从519到2078）和湍流状态（Re从6197到20135），本文均使用了均匀壁温的热边界条件，并且使用了无缺口扭带作为对比。结果显示，在湍流状态下，插入新型扭带后的Nu数和摩擦阻力系数f分别是光管的1.18-1.50和2.65-3.22倍，且插入扭带与光管的努塞尔数比值Nu/Nu0随着Re的增大而减小，说明扭带在较弱湍流状态下的强化传热效果更好。缺口扭带的综合性能指标为0.86-1.02，是无缺口扭带的1.09-1.17倍。在层流状态下，缺口扭带所引起的综合性能指标分别是光管和无缺口扭带的1.34-1.78和1.09-1.17倍。可以看出，无论是层流状态还是湍流状态，缺口扭带强化传热效果更好，且节约材料，因此推荐有缺口的新型扭带，本文实验部分使用的扭带均为有缺口的扭带。
　　在实验过程中，由于实验系统的限制，本文只对流体湍流状态（Re从11335到27285）进行了实验。共使用了四种不同长度的扭带，即扭带长度与管长度比值L/l为1.0、0.75、0.5和0.25的扭带。结果显示，Nu数随着Re数的增大而增大。相对于光管，扭带起到了强化传热的作用，在相同Re数下，四种扭带所得到的Nu数均大于光管。插入扭带后得到的摩擦阻力系数也大于光管，尤其是L/l为1.0和0.75的两种扭带，分别为光管的3.69-5.75和2.30-4.48倍。L/l为1.0、0.75、0.50和0.25的扭带所引起的综合性能指标分别是0.94-1.06，0.82-0.94，0.89-1.04和0.89-1.06。本文最后还对实验数据进行拟合，得到了管内插入新型扭带后湍流状态下Nu数和f的特征数方程，为后续的研究提供了理论基础。
　　从数值模拟和实验研究可以发现，本文中的扭带能起到强化传热的作用，尤其是在弱湍流状态下，这符合强化对流传热的物理机制。因此后续的研究要着重于层流状态和弱湍流状态下，扭带对管内对流传热和流阻特性的影响。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 概述

1．2 螺旋扭带的研究现状

1．2．1 国内研究现状

1．2．2 国外研究现状

1．3 特征数方程的建立

1．4 扭带在工程中的应用

1．5 本文研究的内容

2 数值模拟实验

2．1 数值模拟概述

2．1．1 数值模拟简介

2．1．2 数值模拟方法的步骤

2．1．3 数值模拟软件介绍

2．2 对管内插入扭带后的流体流动特性的数值模拟

2．2．1 建立模型

2．2．2 选择计算模型

2．3 数值模拟实验结果分析

2．3．1 湍流流动状态

2．3．2 层流流动状态

2．4 小结

3 实验方案设计

3．1 换热系统试验台设计

3．1．1 换热系统试验台原理图

3．1．2 套管式换热器的设计与安装

3．1．3 螺旋扭带的设计与加工

3．2 实验设备的选择

3．2．1 温度传感器

3．2．2 涡轮流量计及其他设备

3．3 小结

4 实验过程及数据处理

4．1 实验步骤

4．2 数据处理基本公式

4．3 实验数据分析与处理

4．3．1 试验结果可靠性分析

4．3．2 扭带对换热和摩擦阻力系数的影响

4．3．3 特征数方程

4．4 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