管内单相对流换热的优化和评价

论文摘要

由于世界性能源短缺日益严重，以节能为目标的传热强化技术受到了人们的广泛关注并得到了快速发展，对于我国而言，工业节能更是当前的重中之重。在我国，工业上对于能量利用的过程中涉及到热交换的工艺和设备所占比重超过90%。因此，本文对基本的对流换热问题进行了主动优化设计，以期获得具有优异的综合换热与阻力特性的流场结构。在已有的最小熵产优化原理和最小火积耗散优化原理的基础上进一步提出了最小功损耗优化原理和最小热损耗优化原理，通过泛函变分和求极值，获得了流体的优化场方程。数值求解发现，管内流动中形成了多纵向旋流的流动结构。对其换热与阻力特性进行分析可以发现，这种管内多纵向旋流流场相对于未优化的光管而言，在Re数为200的层流流动下其Nu数增强了170%而其阻力系数增幅不超过10%，在Re数为20000的湍流流动下其Nu数增强了15%而其阻力增幅仅为25%，均获得了优良的综合换热效果。通过在管内核心流区域添加扰流体的方法，提出了基于流体的强化传热方式及原则。通过对管内流动区域进行分区并分别给予不同的优化目标和约束条件，获得了支持这一原则的优化方法，并求得了相对于未优化的光管换热增幅与阻力增幅比超过3的数值解。在基于流体的强化传热原则的指导下，提出了一种新型的管外扰流支撑元件用于管壳式换热器的管束间强化，与常用的折流杆换热器在Re数为3000至21000的湍流流动区域进行对比，可以发现扰流叶片换热器可比折流杆换热器的换热系数提高10%-60%的同时阻力系数降低0%-50%，扰流叶片换热器相比于折流杆换热器的综合性能评价指标最高达到了1.5。除此之外，从传热过程的不可逆耗散损失的热损耗表征出发，从热力学第二定律的角度提出了传热过程的效率。通过数值计算可以发现，传热效率能够很好地指导对流换热的优化设计。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 主要符号说明
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 研究意义
• 1.2 强化传热理论研究的国内外现状
• 1.3 本文研究的主要内容
• 1.4 本文的特色与创新之处
• 2 对流换热优化的理论基础
• 2.1 引言
• 2.2 对流换热过程中不可逆损失的三种表征
• 2.3 对流换热的多场协同原理
• 2.4 本章小结
• 3 对流换热的优化原理及其数值验证
• 3.1 引言
• 3.2 层流流动下的优化目标与限制条件
• 3.3 层流流动下优化原理的泛函构造及其变分
• 3.4 层流优化场方程的数值求解
• 3.5 优化原理在湍流中的推广
• 3.6 优化原理的进一步分析
• 3.7 本章小结
• 4 基于流体的强化传热原则及其数值应用
• 4.1 引言
• 4.2 基于表面的强化传热方式
• 4.3 基于流体的强化传热方式
• 4.4 对流换热的优化原理对基于流体的强化传热方式的支撑
• 4.5 基于流体的强化传热原则指导下管束间对流换热的强化
• 4.6 本章小结
• 5 管内单相对流换热的传热效率
• 5.1 引言
• 5.2 传热过程的效率
• 5.3 传热过程效率的数值验证
• 5.4 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 主要研究结论
• 6.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 附录2 攻读博士学位期间参加的学术会议
• 附录3 攻读博士学位期间参与的科研项目
• 附录4 攻读博士学位期间所获奖励