翅片管式换热器的数值模拟研究

摘要

换热器是众多工业应用中的重要组成部分，翅片管式换热器是广泛应用于空调工程领域的紧凑式换热器的一种。为了充分利用和节省能源，就需要研究强化换热的技术，用来进一步提高其换热器的换热特性。空气侧热阻占换热器总热阻的70%到90%，因此要提高换热器的总体换热性能，就必须对强化空气侧换热性能的技术进行深入研究。　　本文通过CFD数值模拟仿真技术对平直翅片、人字型波纹翅片以及装有涡流发生器的平直翅片和人字型波纹翅片管式换热器的换热和流动特性进行深入的研究。首先建立相应的数学模型以及三维几何模型，选取合适的局部翅片作为计算域，并对计算域进行自适应的网格划分，验证其网格独立性，通过实验结果与模拟结果的对比来确定所建模型的准确性。然后同样通过数值模拟来得到在各种结构参数(翅片间距、管间距、翅片厚度、波纹高度、攻角和涡流发生器类型等)在干工况下的不同雷诺数下的摩擦因子(f)、换热因子(j)和效率指数(j/ f)，并得到相对应的流场图，速度、温度和压力分布图，用来了解不同翅片的强化换热机理。研究结果表明：对于平直翅片和人字型波纹翅片管式换热器，管间距和管排列方式对其换热和流动特性影响较大，翅片厚度和间距对其影响较小；椭圆管具有较高的效率指数(j/ f )，具有较好的综合换热性能；相比于平直翅片，人字型波纹翅片具有更高的换热因子(j )，因此具有更好的换热特性；相比于文中的其他翅片，装有涡流发生器的翅片管式换热器始终具有更高的换热效率，缺点就是摩擦因子(f )会增大；装有涡流发生器V1的翅片管式换热器在较大的攻角有着更好的强化换热效果，装有涡流发生器V3的翅片管式换热器在较小的攻角有着更好的强化换热效果。

目录

声明

第1章 绪论

1.1研究背景

1.2翅片管式换热器的分类

1.3翅片管式换热器研究现状：实验和数值研究

1.3.1 实验研究

1.3.2数值研究

1.4 翅片椭圆管式换热器和带有涡流发生器的换热器研究现状

1.5 总结和问题的提出

1.6 本文的研究工作

第2章 换热和流动理论

2.1 换热基本理论

(1) 导热

(2) 热对流

2.2 边界层理论

(1) 热边界层

(2) 速度边界层

2.3 数学模型

2.4 数据处理方法

2.5 CFD软件：COMSOL Multiphysics

2.6 小结

第3章 翅片管式换热器三维仿真模型的建立

3.1 平直翅片

3.1.1 几何模型的构建和计算域

3.1.2 边界条件的设置

3.1.3 网格划分

3.1.4 模型验证

3.2 人字型波纹翅片

3.2.2 几何模型的建立

3.2.2 边界条件的设置

3.2.3 网格划分和网格独立性验证

3.2.4 模型验证

3.3带涡流发生器的平直翅片和人字型波纹翅片

3.3.1 几何模型构建

3.3.2 计算域和边界条件

3.3.3 网格划分和网格独立性验证

3.4 小结

第4章 平直翅片和人字型波纹翅片的模拟结果分析

4.1 平直翅片管式换热器的换热和流动特性分析

4.1.1 基管管型对流动和换热性能的影响

4.1.2 不同参数对平直翅片性能的研究分析

4.2 人字型波纹翅片管式换热器的流动和换热特性分析

4.2.1 基管管型对流动和换热性能的影响

4.2.2 不同参数对人字型波纹翅片性能的研究分析

4.3 小结

第5章 带涡流发生器的翅片管式换热器换热和流动研究

5.1 流场分析

5.2 涡流发生器的影响

5.2.1 平直翅片

5.2.2 人字型波纹翅片

5.3 攻角的影响

5.3.1 平直翅片

5.3.2 波纹翅片

5.4 不同翅片的影响

5.5 不同波纹高度的影响

5.6 小结

总结与展望

参考文献

致谢