同心环形通道内强制对流换热的实验研究

论文摘要

环形通道内的对流换热在换热器、核动力装置等领域内得到了比较广泛的应用,也受到了越来越多的重视,但目前国内外对环形通道内单相流动换热特性的研究还不是很充分,许多问题还没有得到解决。本文以空气为介质,对圆管和3种间隙（12.5mm、9mm、6mm）的水平同心环形通道,在Re数范围为104-6×104,外壁面等热流,内壁面绝热条件下的强制对流换热特性进行了实验研究和FLUENT数值模拟。文中分别采用水力当量直径和加热当量直径为定性尺寸对实验数据进行了分析,并探讨了质量流量、热流密度和间隙大小对对流换热的影响,结果表明:1.环形通道内的对流换热系数随Re数的变化趋势与圆管内是一致的,均随着Re数的增大而增大。但环形通道不一定能够强化换热,对本实验来说,6mm间隙的环形通道强化了换热效果,但对9mm和12.5mm间隙的环形通道来说,并没有强化换热。2.采用加热当量直径为定性尺寸要比采用水力当量直径更为合理。3.随着质量流量的增加,换热系数逐渐增大;随着热流密度的变化,换热系数呈无规则变化;随着环形间隙的减小,换热逐渐增强。4.环形通道内的单相摩擦阻力系数小于相同条件下圆管内的阻力系数,并且随着环形间隙的减小,摩擦阻力系数逐渐减小。5.FLUENT数值模拟结果与实验拟合值虽然有些偏差,但总体变化趋势相同,另外得到了环形通道内速度场和温度场的分布。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 环形通道内单相流动和换热的国内外研究现状
• 1.2.1 加热方式对对流换热特性的影响
• 1.2.2 环形偏心圆截面管内的对流换热
• 1.2.3 倾斜环形通道内的对流换热
• 1.2.4 环形通道内层流入口段换热特性的研究
• 1.2.5 环形通道对流换热与壁面辐射耦合换热的研究
• 1.2.6 旋转环形通道内的对流换热
• 1.3 存在的主要问题
• 1.4 本文研究目的和主要内容
• 第二章 空气在同心环形通道内传热与流动的实验研究
• 2.1 实验装置
• 2.1.1 实验测试段简介
• 2.1.2 热电偶及测点布置
• 2.1.3 电加热系统
• 2.1.4 流量测量及调节系统
• 2.1.5 数据采集系统
• 2.2 实验原理
• 2.3 实验测量参数
• 2.4 实验步骤
• 第三章 实验设备和数据处理方法
• 3.1 实验设备的选择
• 3.2 实验仪器的标定
• 3.2.1 热电偶的标定
• 3.2.2 毕托管的标定
• 3.3 实验数据处理方法
• 3.3.1 计算外管内壁温度
• 3.3.2 计算流体温度
• 3.3.3 定性温度和通道当量直径的确定
• 3.3.4 换热量的计算
• 3.3.5 热流密度q 的确定
• 3.3.6 对流换热系数h 的确定
• 3.3.7 计算Nu、Re
• 3.3.8 摩擦阻力系数的计算
• 3.4 实验数据的不确定性分析
• 第四章 实验结果与分析
• 4.1 单相换热特性的实验结果与分析
• 4.1.1 圆管内换热的实验结果与分析
• 4.1.2 同心环形通道内换热的实验结果与分析
• 4.1.3 影响单相对流换热的因素
• 4.2 单相流动特性的实验结果与分析
• 4.2.1 圆管内摩擦阻力系数的计算与分析
• 4.2.2 同心环形通道内摩擦阻力系数的计算与分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 Fluent 数值模拟
• 5.1 FLUENT 软件简介
• 5.1.1 程序的结构
• 5.1.2 FLUENT 湍流模型
• 5.1.3 FLUENT 求解方法
• 5.1.4 边界条件类型
• 5.2 同心环形通道数学物理模型的建立
• 5.3 圆管内 FLUENT 模拟结果
• 5.4 同心环形通道内FLUENT 模拟结果
• 5.4.1 温度场模拟结果
• 5.4.2 速度场模拟结果
• 5.4.3 环形管道Nu 数模拟值与实验值的比较
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 附录
• 致谢