三维内肋椭圆管换热与压降特性的研究

摘要

强化换热管在石油、化工、冶金、动力等领域的应用极为广泛，换热性能的每一点提高都意味着较大的经济与社会效益。三维内肋换热管是目前使用比较广泛的一种高效强化换热管，三维内肋圆管由于肋片的扰动作用使得管内换热效果较光管相比有明显提升，椭圆管较圆管相比具有管外的迎风面积小、结构紧凑、尾部形成的旋涡小、管内换热效果有一定提升等诸多优点。　　本文考虑将三维内肋圆管与椭圆管的优点相结合，提出了三维内肋椭圆管，并以拟合出三维内肋椭圆管管内努塞尔数和摩擦系数的准则关系式、分析五个因素（长短轴比、肋高、肋宽、肋间距、肋密度）分别对换热与压降特性产生的影响以及得到管内强化换热机理为目标，对三维内肋换热管管内换热与压降特性进行实验和数值模拟研究，主要内容和结论如下：　　通过实验对比分析三维内肋椭圆管和三维内肋圆管管内的换热与压降特性，结果表明：在相同肋参数条件下，三维内肋椭圆管的平均热力性能系数为 1.428，三维内肋圆管的平均热力性能系数为1.409，均大于光管圆管的热力性能系数，说明三维内肋椭圆管管内换热效果要好于三维内肋圆管。由于三维内肋椭圆管采取肋叉排的形式，不同肋参数对换热影响的差异较大，本文借助正交试验选出三维内肋椭圆管的最佳几何参数，结果表明：当肋参数范围为1.0≤a/b≤2.0, 0.05385≤h/d ≤0.09217，0.01923≤b/d≤0.03687，0.06731≤Pt/d≤0.1152，32≤z≤56，雷诺数范围为15000＜Re＜40000，Pr=0.7时，五个因素对热力性能系数影响的主次顺序为：肋高H＞肋密度Z＞肋宽B＞长短轴比a/b＞肋间距Pt，最优因素参数组合方案为：长短轴比为2、肋高4mm、肋宽1.4mm、肋间距3.5mm、肋密度56。肋高和肋密度对换热管性能影响的敏感性较大。通过数值计算分析几何结构单一因素变化对换热效果产生的影响并拟合出三维内肋椭圆管管内努塞尔数和摩擦系数的准则关系式，为实际工程提供一定的计算依据。??????????　　三维内肋换热管是通过增强流体的湍动和扩大管内换热面积来达到强化换热的目的，通过分析管内温度场和速度场，阐述了三维内肋椭圆管管内的强化换热机理：三维内肋管管内的肋片和椭圆形管道引起的二次流改变了管内速度场和温度场的分布，同时也改变了管内局部对流换热系数的分布，减小了管内速度场和热流梯度场之间的夹角，达到强化换热的效果。借助场协同理论分析了沿程变化的cosθ、dT/dy和dT/dy?cosθ对换热产生的影响，发现等速线上 dT/dy?cosθ的分布与局部对流换热系数的分布基本一致，说明换热效果受到传热温差、温度边界层厚度以及速度矢量与温度梯度夹角等三者的协同作用所控制。本文试探性提出换热管管内换热面积扩展比的计算公式，并简要分析了面积扩展比与热力性能系数之间的关系。

目录

主要符号说明

1 绪 论

1.1 课题背景

1.2.1 强化传热技术概述

1.2.2 强化传热的评价标准

1.2.3 场协同理论

1.3 研究现状

1.3.1 横纹管强化传热技术及研究进展

1.3.2 椭圆管强化传热技术及研究进展

1.3.3 三维内肋管管内强化传热研究进展

1.4 本文的研究目的与章节安排

2 三维内肋换热管管内换热与压降特性的实验研究

2.1 实验装置

2.2 实验步骤

2.3 数据处理

2.3.1 雷诺数Re

2.3.2 努塞尔数Nu

2.3.3 传热系数k

2.3.4 空气侧对流换热系数αα

2.3.5阻力P

2.3.6 热力性能系数η

2.4 测试结果

2.4.1 努塞尔数

2.4.2 阻力系数

2.4.3 热力性能系数

2.5 本章小结

3 三维内肋椭圆管换热与压降特性的数值计算研究

3.1 物理模型

3.1.1 模型的简化与假设

3.1.2 几何参数

3.2 数学模型

3.2.1 网格独立性检验

3.2.2 湍流模型

3.2.3 近壁面处理

3.3 物性参数及边界条件

3.4 正交试验设计及数据处理

3.5 结果分析

3.6 本章小结

4 三维内肋椭圆管结构的单因素分析

4.1 引言

4.2 求解设置

4.3 几何参数对三维内肋椭圆管换热与压降特性的影响

4.3.1 长短轴比对换热管性能的影响

4.3.2 肋高对换热管性能的影响

4.3.3 肋宽对换热管性能的影响

4.3.4 肋间距对换热管性能的影响

4.3.5 肋密度对换热管性能的影响

4.4 管内传热与压降计算通用准则关系式的拟合

4.5 本章小结

5 三维内肋椭圆管管内强化传热机理

5.1 管内流线与温度分布

5.2 管内速度分布

5.3 管内二次流分布

5.3.1 肋片背风侧产生的二次流

5.3.2 肋片迎风侧产生的二次流

5.3.3 椭圆管产生的二次流

5.3.4 二次流的大小

5.4 换热管横截面局部对流换热系数及摩擦系数分布

5.4.1 换热管沿轴向变化的局部对流换热系数和局部摩擦系数分布

5.4.2 换热管沿周向变化的局部对流换热系数分布

5.5 管内对流换热的场协同分析

5.6 管内传热面积对热力性能系数的影响

5.7 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 论文创新点

6.3 展望

参考文献

附录

A 学位论文数据集

致谢