低温海水外掠圆管流动与换热规律研究

摘要

海洋深水区的油气资源被勘探和开发，处于低温环境中的海洋立管与管外海水进行大量热交换，导致管内流体热力学性质发生改变。但由于海水温度低、换热情况复杂，很多公式不再适用，并且对于流体横掠单管的混合传热特性研究还不充分，因此探索低温海水外掠圆管流动与换热规律具有重要意义。 本文采用海水密度计、平氏粘度计、导热系数仪、恒温水浴槽等设备开展了物性测试，结果表明，海水的密度和粘度随温度的升高而减小，导热系数和比热容随温度的升高而增大，并得出了0~20℃时海水物性与温度的经验公式。 对海水在水槽中的流动过程进行模拟，分析孔板参数对流场的影响，并进行优化。结果表明，孔板形状和层数对流场的影响最大，位置和孔径次之，厚度最小。均流效果最优的孔板结构为：2cm孔径、20cm厚度的不均匀孔板，第一块距入口10cm，第二块距入口60cm。 基于相似理论建立了室内实验物理模型，结合孔板参数的模拟结果指导搭建实验台，开展了低温海水外掠圆管流动换热实验并进行了数值模拟。表明在实验范围内，努赛尔数随着雷诺数和格拉晓夫数的增大而增大，并且雷诺数越小，格拉晓夫数对努赛尔数的影响越明显；努赛尔数随着立管直径的增大逐渐减小，小管径有利于增强对流换热强度。 对水槽内流场进行数值模拟，发现立管附近的流体呈螺旋状由下向上流动，传热方式为混合对流传热。综合考虑了自然对流和强制对流的影响，并与单纯强制对流和自然对流与强制对流加和值相比较，表明在相同的换热温差下立管直径越大，自然对流对于总换热量的影响就越强，并且雷诺数越小，管径变化对自然对流在总换热量中的影响就越明显。通过分析拟合出了适用于层流范围内低温海水外掠圆管混合对流传热的实验关联式。

目录

声明

物理量名称及符号表

第一章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 低温海水热物理性质

1.2.2 孔板对水槽内流场的影响

1.2.3 外掠圆管流动与换热规律

1.3 目前研究中存在的问题

1.4 本文研究内容

第二章 低温海水热物理性质测试分析

2.1 实验内容

2.1.1 海水密度测定

2.1.2 海水粘度的测定

2.1.3 海水导热系数和比热容的测定

2.2 数据处理及分析

2.2.1 海水密度与温度的关系

2.2.2 海水粘度与温度的关系

2.2.3 海水导热系数与温度的关系

2.2.4海水比热容与温度的关系

2.3 误差分析

2.4 本章小结

第三章 水槽内均匀流场的数值模拟

3.1 物理模型

3.2 数学模型及计算方法

3.3 网格独立性分析

3.3.1 网格划分

3.3.2 网格独立性验证

3.4 流场的模拟结果及数据分析

3.4.1 无孔板时流场的研究

3.4.2 孔板位置对流场的影响

3.4.3 孔板厚度对流场的影响

3.4.4 孔板直径对流场的影响

3.4.5 孔板形状与层数布置对流场的影响

3.5 本章小结

第四章 低温海水外掠圆管流动与换热研究

4.1 立管流动与换热的数值模拟

4.1.1 物理模型

4.1.2 数学模型及计算方法

4.1.3网格独立性分析

4.1.4 结果分析

4.2 基于相似原理指导模化实验

4.3 实验系统

4.3.1 实验流程及测量参数

4.3.2 实验测试段

4.3.3 热电偶及测温点布置

4.3.4 实验系统组成

4.4 实验原理

4.5 实验数据处理方法及误差分析

4.5.1 海水的物性参数

4.5.2 壁温与管外流体温度的计算

4.5.3 对流换热系数的确定

4.5.4 努赛尔数和雷诺数的确定

4.5.5 格拉晓夫数的确定

4.5.6 误差分析

4.6 实验结果与分析

4.6.1 换热特性与Re和Gr的关系

4.6.2 换热特性与管径的关系

4.6.2 实验结果与经典关联式的比较

4.6.3 拟合实验关联式

4.7 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间取得的学术成果

致谢