气动—声学风洞热交换器的数值模拟与试验研究

论文摘要

气动—声学风洞是开发低阻力、低噪声、稳定、安全、舒适的现代高性能汽车和轨道交通车辆的不可缺少的大型测试设施。性能良好的风洞不仅在试验段有着优良的流场品质和良好的声学性能，而且自身的能耗也较低。风洞的能耗主要来自于功率高达几千千瓦的风机。扩散段、拐角以及风扇段的气动减阻在一定程度上减少了风机的功率。热交换器是风洞必不可少的设备之一，其风阻约占风洞总阻力的10％。有效降低热交换器的风阻有利于降低风机的功率。在风洞设计和建设阶段，存在流道换热等一些亟需解决的关键技术问题。这些技术在国内基本属于空白，技术风险较大。为了降低技术风险，满足风洞试验段的性能指标，挖掘节能潜力，降低风洞投资和运行成本，本文开展了热交换器的换热、流动、振动及声学研究。 风洞热交换器不仅迎面风速变化范围大（0～12 m／s），而且高风速段远超传统热交换器。因此主要针对使用在石化、电力等行业的低迎面风速的传统热交换器的研究结果不适合风洞这样的高速和多工况场合。为此本文结合数值模拟和试验方法重点研究其换热与流动特性，目的是为风洞热交换器的优化设计提供一些依据。从数值分析的角度出发，本文首先简要分析和比较目前工程上广泛采用的三种两方程κ-ε模型；接着引入气流横刷矩形翅片椭圆管数值计算方法一单元法，对五种网格模型、两种进出口边界条件及三种两方程湍流模型进行数值计算，并把计算结果与文献[2]的试验结果进行比较。通过比较发现：采用速度进口、压力出口进行数值计算得到的结果与文献[2]的试验结果更吻合；使用标准湍流模型得到的模拟结果与文献[2]的试验结果更吻合。在探讨到比较合理的数值模型后，结合风洞热交换器的特点，使用CFD计算方法对可能放置热交换器的三个位置进行换热与流动分析，通过建立综合评价标准，指出位于拐角3和拐角4之间的过渡段2是最适合放置热交换器的位置。为了进一步明确最优位置热交换器的流动特性，本文在模型风洞中开展了热交换器的流动试验。试验指出：1.5排结构布置所对应的欧拉数较其它两种结构布置小；相同管排数下，出口速度不均匀度比进口大；相同迎面风速下，出口速度不均匀度随管排数的增加而变大。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景、课题来源与意义
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 课题来源与意义
• 1.2 国内外研究进展与现状
• 1.2.1 流动与换热的试验研究
• 1.2.2 流动与换热的数值模拟
• 1.2.3 流体诱导振动理论分析与试验研究
• 1.2.4 气动-声学问题的数值模拟
• 1.2.5 国外风洞热交换器研究动态
• 1.2.6 文献小结
• 1.3 研究内容
• 第2章 气流横刷矩形翅片椭圆管湍流流动与换热数值模型探讨
• 2.1 湍流模型及近壁面函数概述
• 2.1.1 湍流模型
• 2.1.2 近壁面函数
• 2.2 数值模型简介—单元法
• 2.3 模拟结果与文献[2]的试验结果对比
• 2.3.1 对比对象
• 2.3.2 网格处理
• 2.3.3 边界条件及计算方法
• 2.3.4 计算结果讨论
• 2.4 本章小结
• 第3章 气动—声学风洞热交换器位置比较分析
• 3.1 风洞的冷却方式
• 3.2 位置比较分析
• 3.2.1 背景
• 3.2.2 热交换器的设计负荷及不同位置结构方案
• 3.2.3 比较参数
• 3.2.4 比较参数分析与讨论
• 3.2.5 评价标准
• 3.3 最优位置的欧拉准则和努谢尔准则
• 3.3.1 准则方程的建立
• 3.3.2 Eu和Nu
• 3.4 本章小结
• 第4章 气动—声学模型风洞热交换器的流动试验研究
• 4.1 引言
• 4.2 热交换器性能试验方法
• 4.3 模型风洞热交换器的流动试验
• 4.3.1 模型风洞简介
• 4.3.2 试验原理与试验内容
• 4.3.3 试验方法
• 4.3.4 试件布置
• 4.3.5 试验设备及其标定
• 4.3.6 试验步骤
• 4.3.7 试验结果分析与讨论
• 4.4 本章小结
• 第5章 热交换器的振动与气动噪声的初步分析
• 5.1 引言
• 5.2 热交换器的声学试验
• 5.2.1 试验设备
• 5.2.2 传声器的布置位置
• 5.2.3 声学设备的系统校准
• 5.2.4 试验控制流程
• 5.2.5 试验结果与分析
• 5.3 激振机理探讨及共振预测
• 5.3.1 激振机理探讨
• 5.3.2 共振预测
• 5.4 热交换器的气动—声学数值模拟
• 5.4.1 数值模型与计算方法
• 5.4.2 计算结果讨论
• 5.5 本章小结
• 第6章 结论与建议
• 6.1 对研究工作的总结
• 6.2 进一步研究的建议
• 致谢
• 参考文献
• 个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果