内流换热强化极限与改进折流翅片强化通道换热模拟研究

摘要

传热强化技术，由于其能使各种换热设备的效率提高，重量和体积减少，一直受到科技界和工业界的重视。近年来国内学者提出了场协同理论。此理论的核心内容是传热率和速度矢量与温度梯度的点积值的对应关系。 本论文首先从场协同理论出发分析了通道内表面全部为射流冲击换热表面时的极限换热率，并将全射流冲击管内换热与普通流动管内换热进行比较。讨论了管内层流和紊流工况下全射流冲击换热可能达到的最大强化比。对非圆形管道采用全射流冲击换热方式所能达到的强化效果作了讨论。对于相同Re数而言，分析得出在层流充分发展段全射流冲击通道的强化极限是16.9倍，在紊流充分发展段是3.5倍。然后根据场协同理论发展了二维和三维强化通道，并对周期性充分发展区域进行了数值模拟计算，得到速度场、温度场、阻力特性以及换热特性。数值模拟对强化通道的层流和紊流都做了计算分析。在强化通道内设置拟流线型折流翅片以促进速度场与温度场的协同度。翅片的倾角从0°到30°，通道高度分别为14mm，24mm，34mm。通过对不同雷诺数下换热数值计算，分析了翅片倾角及通道高度对换热的影响，在二维模拟计算中还考察了翅片不同厚度对阻力特性及换热特性的影响。结果表明：随着Re数的增大，通道的换热逐步增强。在所研究的通道高度和翅片倾角范围内，通道高度及翅片倾角增大时换热增强，同时阻力系数也明显增大。对这种通道结构在相同泵功的约束条件下进行评价表明，在二维工况下，翅片倾角为30°时强化换热效果最好。而对于三维工况，通道高度不同则有不同的强化规律。对于通道高度为14mm的情况，翅片倾角为30°时的强化换热效果最好，而对于通道高度为24mm，34mm的情况，层流时翅片倾角23.2°时最好，紊流时翅片倾角16°时最好。说明对一定的通道高度，存在一个最优的翅片倾角使其综合换热性能最优。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1引言

1.2国内外研究现状

1.3本课题主要研究内容、目的

第2章管内单相对流换热强化极限理论分析

2.1全射流冲击通道的极限换热率

2.2关于不同流态下极限强化比的讨论

2.2.1管内层流换热强化比

2.2.2管内紊流换热强化比

2.3不同强化通道的实际强化比与极限强化比的关系

2.3.1管内层流换热

2.3.2管内紊流换热

2.4本章小结

第3章改进型折流翅片强化结构及其数理模型

3.1通道结构

3.2控制方程

3.3流动与换热边界条件的设置

3.4网格划分及控制方程离散格式的选择

3.5迭代精度的控制

3.6数据整理方法

3.7本章小结

第4章二维强化通道中流动换热数值模拟

4.1速度场分布

4.2翅片倾角对速度场的影响

4.3温度场

4.4阻力特性

4.4.1层流工况的阻力特性

4.4.2紊流工况的阻力特性

4.5换热特性

4.5.1层流工况换热特性

4.5.2紊流工况换热特性

4.6沿主流方向的局部Nu数分布

4.7本章小结

第5章三维流动换热数值模拟

5.1层流工况流动换热数值模拟

5.1.1流场分布特点

5.1.2温度场分析

5.1.3阻力特性

5.1.4换热特性

5.2紊流工况流动换热数值模拟

5.2.1流场分布特点

5.2.2温度场分布特点

5.2.3阻力特性

5.2.4换热特性

5.3本章小结

第6章强化换热效果评价

6.1二维强化换热效果比较

6.1.1二维层流强化换热效果比较

6.1.2二维紊流强化换热效果比较

6.2三维强化换热效果比较

6.2.1三维层流强化换热效果比较

6.2.2三维紊流强化换热效果比较

6.3与平直折流翅片强化换热效果的比较

6.4本章小结

结论

参考文献

附录

攻读学位期间发表的学术论文

致谢