迪恩涡及其强化螺旋管传热性能的研究

摘要

本文针对现行管壳式换热器管程强化传热过程中各类强化管流动阻力较高、强化传热综合性能差等缺点，在传热理论的基础上，从一种典型的二次流─迪恩涡出发，采用数值模拟和实验研究相结合的方法研究螺旋管内迪恩涡的流动特性及其强化传热的机理。　　数值模拟结果表明：螺旋管内的流体运动特性与直管比较存在极大的差异。流体在螺旋管内运动时，平均径向速度随着雷诺数、流体粘度及曲率比的增大而增大，但随扭率的增大出现一定程度的降低；螺旋管内流体的平均边壁剪切力与流动压降均随着雷诺数、流体粘度与曲率比的增大而增大，在相同雷诺数或粘度下平均边壁剪切力与压降均高于直管；此外，平均边壁剪切力还随扭率的增大而小幅提高、压降随着扭率的增大而小幅降低；扭率的增大还影响迪恩涡的对称性。　　传热实验结果表明：螺旋管内流体的努塞尔特数和流动压降均随着曲率比、雷诺数、流体粘度的增大而增大，在相同雷诺数、粘度下努塞尔特数和流动压降均高于直管；扭率对努塞尔特数的影响不明显，但扭率增大会引起压降的降低；螺旋管的强化传热综合性能评价因子η在任何曲率比、扭率、雷诺数、普朗特数或下均大于1，但η值随着曲率比的增大而降低（a/Rc≤0.16时η相对较高）、随着扭率的增大变化不明显、随着雷诺数的增大先增大后降低（在雷诺数处于1520＜Re＜5000区间内η相对较高），仅仅随流体粘度的提高而持续增大，最高可增至1.5以上。这说明螺旋管的强化传热综合性能高于直管，尤其是在高粘度流体条件下。　　通过分析可知：迪恩涡强化螺旋管传热的机理在于迪恩涡的对流作用与其对管壁的剪切作用，并推导出其数学模型。在此基础上通过对实验数据进行多元回归提出了迪恩涡强化螺旋管传热的准则关系式。研究螺旋管中迪恩涡运动及其强化传热的机理，对管壳式换热器管程设计与应用有一定的理论指导价值和实际工程意义。

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第一章 绪论

1.1 前言

1.2强化传热技术的研究现状

1.3 国内外管壳式换热器管程强化传热的研究现状

1.4 迪恩涡运动规律及其强化传热的研究概况

1.5 课题的提出及研究内容

1.6 本研究的创新之处

1.7 本章小结

第二章 迪恩涡的理论及其CFD研究

2.1 迪恩涡的介绍

2.2 迪恩方程组与迪恩数

2.3 迪恩涡运动规律的CFD模拟

2.4 模拟结果

2.5 本章小结

第三章 直管传热特性的实验研究

3.1 传热基础理论

3.2 实验装置及方案

3.3 不同雷诺数下直管的传热实验

3.4 不同流体粘度下直管的传热实验

3.5 本章小结

第四章 螺旋管传热性能的实验研究

4.1 螺旋管强化传热的基础理论

4.2 实验目的及方案

4.3 不同曲率比 ca/R 下螺旋管内的传热实验

4.4 不同扭率τ下螺旋管内的传热实验

4.5 不同雷诺数Re下螺旋管内的传热及流阻实验

4.6 不同流体粘度下螺旋管内的传热及流阻实验

4.7 本章小结

第五章 迪恩涡强化螺旋管传热的机理分析及其数学模型

5.1 迪恩涡强化螺旋管传热的作用机理

5.2 迪恩数De对螺旋管传热及流阻的影响

5.3 迪恩涡强化螺旋管传热性能的实验关联式

5.4 本章小结

第六章 研究结论与研究展望

6.1 研究结论

6.2 研究展望

参考文献

附录

致谢

实验数据