Y型内肋换热管的强化换热特性研究

摘要

随着社会的飞速发展，能源短缺、环境污染等问题日益凸显，如何提高能源利用率、达到节能减排的目的已成为人们关注的焦点。强化换热技术是解决能源短缺与环境污染等一系列问题的重要途径，纵向涡流强化换热技术是无源强化换热技术的一种。基于纵向涡流强化换热技术，本文提出一种新型内肋换热管结构，主要对换热管内流体流动与换热特性进行了分析与研究。 本文利用ANSYS CFD15.0软件对Y型内肋换热管内流体流动与换热特性进行了数值仿真模拟，分析了不同Y型内肋结构参数对换热管换热特性的影响；而后，研究了脉动流非稳态下的Y型内肋换热管内的流动与换热特性；最后基于遗传算法对Y型内肋换热管的结构参数进行了优化设计。本文主要的成果如下： 首先，使用Fluent15.0软件对Y型内肋换热管进行了数值仿真求解，分析了换热管内流体流动特性，研究了不同结构参数对换热管内流体流动与换热的影响。结果表明，Y型内肋使得管内产生多个纵向涡流，管内流体扰动剧烈，近壁面区域和核心区域流体混合更加充分，近壁面区域粘性底层被破坏，换热能力得到强化；在Re=3500~17500时，综合评价因子1.4~1.85。当Y型内肋夹角α和间距P一定时，PEC随着内肋长度L的增大而增大，且在L=8mm处取得最大值；当内肋长度L和间距P一定时，随着夹角α的增大，PEC先增大后减小，且在α=90°时，PEC取得最大值；当内肋夹角α和长度L一定时，间距越大，PEC值越小。最后基于最大火积耗散理论分析了不同夹角和内肋长度对火积耗散的影响。 其次，研究了入口速度为正弦周期性变化的脉动流时，对Y型内肋换热管内流体流动与换热特性的影响，分析了脉动振幅Au、频率f和雷诺数Re对换热效果的影响规律。结果表明，随着脉动流振幅Au的增大，努塞尔数Nu也明显增大，换热效果显著增强；当Re=10500，振幅Au=0.5时，脉动频率f=1Hz为临界频率，当f＜1Hz时，随着频率的增大，Nu基本不变，增加较小；当f>1Hz时，随着频率的增大，Nu也逐渐增大且增加明显，换热效果提高显著；当振幅Au=0.5，频率f=5Hz时，随着雷诺数Re的增大，Nu也不断增大，换热增强。进一步分析了振幅和频率对两个周期内的场协同角度的影响和不同振幅下一个周期内的火积耗散随时间变化的规律。 最后，根据稳态下数值仿真结果，对Y型内肋换热管内Nu和f进行线性回归，得到综合评价因子的PEC关联式，而后建立换热管的优化设计数学模型，分别使用遗传算法和MATLAB的fimicon函数进行优化求解，得到Y型内肋结构的最优参数。

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