内插扇形锥形片强化管的流动与传热数值模拟

摘要

节能已经变得越来越迫切和重要，社会的发展需要消耗更多的能源而能源的储存量又是有限的，这就需要在利用能源的过程中做到高效的使用才能尽量地延缓能源的短缺。研究新型的强化传热技术，开发高效的换热器能够为社会的发展做出重要的贡献，高效换热器能够在材耗一定的条件下实现最大的经济效益。能源的传递需要通过换热器来进行，管壳式换热器是应用比较普遍和典型的换热器，广泛地存在于石油、化工、能源、冶金、材料、航空航天、电子器件的冷却、核能的利用等领域，但一般管壳式换热器内的光滑换热管效率低下，很难满足各方面换热工艺要求，采用强化换热技术是现阶段实现高效节能的重要手段。传统的强化传热技术分为主动强化技术和被动强化技术，采取管内插入物是现今比较常见和实用的强化技术，在一些高粘度流体换热中大量使用。管内插入物使管内核心区域的流体受到扰动，从而与管壁附近流体进行置换，改变了管内流体的速度场和温度场的分布，加强了速度场和温度场的协同效果，从而得到高效低阻的传热性能。　　本文首先阐述了强化传热技术的强化机理和优势，介绍了管内插入物国内外研究现状，同时对场协同理论和CFD数值模拟在强化传热的应用进行概述，并对强化传热评价方法进行简单介绍。　　运用 FLUENT软件对以空气为介质，在管内有间隔地插入多个扇形锥形片进行数值模拟，分析考察了不同结构参数的内插扇形锥形片强化管在湍流状态下的传热特性和流动特性。扇形锥形片强化管的传热特性和流动特性与扇形锥形片的张角、倾角a、扇形锥形片的间距s、扇形锥形片的叶片数n等因素有关。在数值模拟计算的过程中，选取了不同的片距、叶片数、倾角和张角组成不同的结构参数组合，并对不同的结构参数在5种雷诺数下进行了模拟；讨论了不同结构参数组合对努塞尔数Nu、流动阻力系数f、综合换热性能PEC的影响；利用场协同理论对分析强化管的整体场协同性，得到了平均协同角的大小。　　研究结果表明内插扇形锥形片能够显著强化换热，在 Re为12000~36000的范围内，其PEC达到了1.26~2.07，当张角相同时，PEC值随着倾角的增加而减小，且当叶片数固定为四叶片时，换热性能中综合表现是张角30°最好、其次是45°，最小的是60°，叶片数时为2时PEC值最大，经过正交分析后得到了各指标的影响因素的主次顺序和最优值，最后综合分析得到了强化管最优的结构参数a=20°、γ=40°、n=2、s=72mm。

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第一章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2强化传热技术的现状

1.3管内强化传热技术的研究现状

1.4本文研究内容

第二章 管内单相对流强化传热理论和技术

2.1强化传热的方法

2.2管内单相对流强化传热理论

2.3本章小结

第三章 流动传热数值计算基本理论和方法

3.1流动传热控制守恒方程组

3.2湍流的数学模型

3.3数值模拟软件——商业CFD软件

3.4本章小结

第四章 物理模型及数值模型的建立

4.1问题的简化与假设

4.2几何模型的建立

4.3网格划分

4.4物性条件的设置

4.5边界条件的设置

4.6求解模型的设置

4.7求解方法的设置

4.8本章小结

第五章 内插扇形锥形片的模拟结果分析

5.1光管平均Nu数仿真结果分析

5.2光圆管流动与传热特性分析

5.3不同结构参数的扇形锥形片的数据结果分析

5.4内插扇形锥形片的圆管的流动特性分析

5.5内插扇形锥形片的圆管的传热特性分析

5.6扇形锥形片的几何结构正交分析

5.7扇形锥形片几何结构优化

5.8场协同分析

5.9本章小结

第六章 结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢