通道内对流换热场协同强化数值模拟研究

摘要

许多技术被用来提高对流换热，然而即使是对于简单的单相对流换热也没有一个统一的解释来揭示强化换热的本质。1998年，我国学者过增元及其合作者通过分析边界层中的换热机制，提出了一个关于提高对流换热率的崭新理论，即场协同理论。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，对结果进行了讨论。对于二维通道层流和紊流都做了计算分析，而三维通道只对层流工况做了计算。所研究通道内的场协同度通过在通道内设置折流翅片来实现。翅片倾斜角度从0°到23.2°，无量纲通道高度从1.167到2.833。通过对不同雷诺数下换热的数值计算，分析了翅片倾角及无量纲通道高度对换热的影响，并讨论了其流场和温度场。结果表明：雷诺数、翅片倾角和通道高度都是强化效果的重要影响因素。为了合理评价所研究通道的强化效果，采用相同泵功的评价方法对结果进行了讨论。对于三维通道还特别讨论了翅片材料对换热性能的影响，结果发现铜质翅片的强化换热效果明显优于钢质翅片。另外，分析了热力特性与速度矢量和温度梯度点积值的积分之间的一致性，这证明了场协同理论的正确性。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：资助

独创性声明关于论文使用授权的说明

第1章绪论

1.1引言

1.2国内外研究现状

1.3研究背景及研究意义

1.3.1课题研究背景

1.3.2课题研究意义

1.4本章小结

第2章通道结构及其数理模型

2.1通道结构

2.2与计算相关的迭代格式及控制方程

2.2.1迭代格式的选择

2.2.2控制方程

2.3流动与换热的边界条件设置

2.4典型工况迭代格式及网格划分

2.5迭代精度的控制

2.6数据整理方法

2.7本章小结

第3章二维层流换热

3.1流场分布特点

3.2温度场

3.3阻力特性

3.4换热特性

3.5沿主流方向的局部Nusselt数分布

3.6本章小结

第4章二维紊流换热

4.1流场分布特点

4.2温度场

4.3阻力特性

4.4换热特性

4.5沿主流方向局部Nusselt数的分布

4.6场协同分析

4.6.1速度矢量与温度梯度点积的积分值随Re的变化趋势

4.6.2速度矢量与温度梯度的夹角随Re的变化趋势

4.7本章小结

第5章三维层流换热

5.1流场分布特点

5.1.1不同翅片倾斜角度时的流场

5.1.2不同通道高度时的流场

5.2温度场分析

5.2.1 Re数对温度场的影响

5.2.2翅片倾角对温度场的影响

5.2.3通道高度对温度场的影响

5.3流场中速度矢量与温度梯度点积值的分布

5.3.1 Re对此点积值分布的影响

5.3.2翅片倾角对此点积值分布的影响

5.3.3通道高度对此点积值分布的影响

5.4速度矢量与温度梯度的夹角值的分布

5.5阻力特性

5.6换热特性

5.7速度矢量与温度梯度点积的积分值随Re的变化趋势

5.8翅片导热系数对通道换热效果的影响

5.9本章小结

第6章强化效果评价与比较

6.1 维层流强化效果比较

6.2 维紊流强化效果比较

6.3三维层流强化效果比较

6.4本章小结

结束语

参考文献

附录主要物理量名称及符号表

攻读硕士学位期间的科研成果

致谢