插入扰流元件换热器换热特性数值模拟研究

摘要

近年来由于生产和科学技术发展的需要，换热器强化传热技术已得到较大的发展，并且广泛地应用于工业生产的各个领域，研究其性能以便设计出更新颖的高效换热器，是高效利用能源及开展节能减排的有效措施。 本文开发了一种新型插入扰流元件管式换热器，并利用Fluent商业软件在不同雷诺数条件下，对九种不同结构尺寸的插入扰流元件换热管的换热及流动特性进行了三维数值模拟。 首先，通过模拟和分析流道内流体温度场、压力场和速度场，得到扰流元件换热管的强化换热机理。通过改变弯曲弧度和列间距设计了九种不同结构形式的模型，对这九种模型进行数值模拟和数据分析，并绘出各种情况时换热管的参数曲线图，从而得出弯曲弧度和列间距对换热管换热及流动特性的影响，以及其换热和流动阻力达到最佳匹配时扰流元件最佳弯曲弧度和列间距组合。 其次，将扰流元件换热管和光管在相同条件（雷诺数Re=391～11720）下的换热与流动特性进行模拟计算，通过对模拟结果的对比分析，证明了扰流元件换热管具有较好的强化换热效果。通过与实验数据的比对，得出数值模拟结果与实验结果基本吻合的结论，从而验证了数值模拟的可靠性。 最后，将优选出的最佳规格扰流元件换热管和波纹管（波长/波高即λ/H=7.0）的换热与流动特性进行了综合评价与分析，得出：在考虑泵功率消耗的情况下，扰流元件换热管在雷诺数Re=1600～4800时的换热效率比波纹管略高，在雷诺数Re≤1600和Re≥4800时，与波纹管的换热效率很接近。但插入扰流元件换热管在制造工艺上具有加工方便、固定灵活等优点，比较适合对现有换热器的改造。所以，该种换热管在一定程度上具有广泛的应用空间。

目录

文摘

英文文摘

论文说明:主要符号表

声明

1 绪论

1.1 本课题的研究背景及实际意义

1.2 国内外的发展现状

1.2.1 管式换热器的类型及其传热机理

1.2.2插入扰流元件换热器的传热机理及优点

1.2.3内插件管式换热器的国内外现状及发展趋势

1.3 插入扰流元件换热器的工作原理及特点

1.3.1传热机理

1.3.2提高换热系数的途径

1.4 插入扰流元件换热器的数值解法

1.4.1强化传热的数值解法

1.4.2分析工具——有限容积法(finite volume method,FVM)

1.4.3有限容积法分析软件FLUENT介绍

1.5 本课题的研究内容和目的

2 湍流流动与换热的数值模拟

2.1湍流现象及其模拟方法概述

2.1.1湍流现象概述

2.1.2湍流的数值模拟方法

2.2湍流模型

2.2.1零方程模型

2.2.2一方程模型(one-equation model)

2.2.3κ-ε两方程模型

2.2.4重整化群κ-ε模型(renormalization group κ-ε model)

2.3 各种湍流模型小结

2.4 壁面函数法

2.5 基于SIMPLE算法的流场数值计算

2.5.1 SIMPLE算法的基本思想

2.5.2基于非结构网格的SIMPLE算法

2.5.3动量方程的离散

2.5.4压力修正方程的建立

2.5.5速度修正方程的建立

2.5.6非结构网格上SIMPILE算法的计算步骤

2.6 本章小结

3 数理模型的建立

3.1物理模型的建立

3.2几何模型的建立和计算区域离散化

3.2.1几何模型的建立

3.2.2计算区域离散化

3.3 数理模型的建立

3.3.1充分发展对流换热

3.3.2控制方程的建立

3.3.3参数的确定

3.3.4换热管模型假设

3.4 边界条件的设定

3.4.1流体进出口边界条件

3.4.2壁面边界条件

3.4.3初始条件

3.5 本章小结

4 计算过程、结果及分析

4.1 FLUENT数值求解

4.1.1选择合适的解算器

4.1.2输入网格和检查网格

4.1.3选择解的格式

4.1.4定义基本模型和流体物性

4.1.5定义边界条件

4.1.6控制方程的离散及设定亚松弛因子

4.1.7流场初始化

4.1.8迭代计算

4.2数值计算结果及分析

4.3不同结构参数对扰流元件换热器流场的影响以及分析

4.4.1扰流元件弯曲弧度对换热管流场的影响分析

4.4.2扰流元件不同的排列方式对换热管流场的影响分析

4.4数据处理与分析

4.5本章小结

5热力特性数值模拟与实验分析

5.1研究参数的确定

5.2插入扰流元件换热管在不同雷诺数Re下的流场分布

5.2.1温度场的分布

5.2.2压力场的分布

5.2.3速度矢量的分布

5.3光管在不同雷诺数Re下的流场分布

5.3.1温度场的分布

5.3.2压力场的分布

5.3.3速度矢量的分布

5.4插入扰流元件换热管和光管的热力性能比较

5.4.1插入扰流元件换热管与光管的数值模拟数据处理

5.4.2不同雷诺数下插入扰流元件换热管和光管的热力特性对比

5.5插入扰流元件换热管对比波纹管的热性能评价

5.5.1强化换热性能评价方法

5.5.2插入扰流元件换热管对比波纹管的热性能评价

5.6插入扰流元件换热管强化换热的实验分析

5.6.1实验装置

5.6.2模拟与实验数据对比及分析

5.7本章小结

6 结论

6.1 结论

6.2 研究工作展望

致 谢

参考文献

附录 攻读硕士学位期间发表的论文及科研实践