内展翅片管换热器换热特性的数值模拟研究

论文摘要

随着现代工业的发展和人们生活水平的不断提高,人类对能源的需求量也越来越大,节能降耗越来越受到人们的重视。换热器在制冷、石油、化工等领域占有很大的比重,同时换热器强化传热技术也得到了较大的发展。内展翅片管换热器具有节能率高、体积小、使用成本低等优点。本文以普通光管和四种不同波纹数的内展翅片管作为研究对象,对介质为空气的两种换热管内不同流速情况下的对流换热问题进行理论分析,并建立了数理模型。运用FLUENT有限容积分析软件进行了三维数值模拟。根据研究对象的具体特点,分别采用层流、标准k ?ε湍流模型和可实现k-ε湍流模型进行计算。针对不同流速采用不同的层流和湍流模型,模拟出四种不同波纹数的内展翅片管内流体的流场分布,得到内展翅片管的强化传热机理。重点分析不同流速对不同波纹数的内展翅片管流场和温度场的影响,并与光管的换热特性进行对比,得出:在不同雷诺数条件下,内展翅片管和光管中的流体（空气）出口温度、壁面换热量、壁面努塞尔数、进出口压差和阻力系数变化曲线,证明了内展翅片管有较强的换热效果。应用Webb热力性能指标,对内展翅片管和光管的综合换热性能进行评价,得出结论:在相同泵功和换热面积的条件下,在数值模拟的雷诺数范围内,ⅠⅣ号内展翅片管的换热量分别为光管的1.553.57倍、2.784.43倍、3.235.25倍、3.515.68倍,随着雷诺数的增加,内展翅片管强化换热效果逐渐减弱。将Ⅳ号内展翅片管的数值模拟结果与实验结果进行比较,表明数值模拟结果与实验结果比较吻合,进一步验证了数值模拟的可靠性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 本课题的研究背景及意义
• 1.2 内展翅片管的介绍及换热机理
• 1.2.1 内展翅片管的结构
• 1.2.2 内展翅片管的特点
• 1.2.3 强化传热机理
• 1.2.4 提高换热器换热性能的基本途径
• 1.2.5 内翅片的作用
• 1.3 内翅片管国内外研究进展
• 1.4 内展翅片管换热器的数值求解方法
• 1.4.1 数值传热学的兴起
• 1.4.2 数值模拟的分析工具
• 1.4.3 数值模拟软件FLUENT 介绍
• 1.5 本课题的研究内容和目的
• 2 数值模拟的理论基础
• 2.1 流体流态及其模拟方法介绍
• 2.1.1 流体流态的介绍
• 2.1.2 湍流流态的数值模拟方法
• 2.2 湍流对流换热的雷诺时均方程
• 2.2.1 连续性方程
• 2.2.2 动量方程
• 2.2.3 有关脉动值乘积时均值的概念
• 2.3 湍流模型分类
• 2.3.1 零方程模型
• 2.3.2 一方程模型
• 2.3.3 k－ε两方程模型
• 2.3.4 重整化群k－ε模型
• 2.4 壁面函数法
• 2.5 本章小结
• 3 数理模型的建立
• 3.1 研究对象
• 3.1.1 内展翅片换热管几何尺寸
• 3.1.2 圆管
• 3.2 几何模型的建立和数值计算区域离散化
• 3.2.1 几何模型的建立
• 3.2.2 数值计算区域离散化
• 3.3 传热模型的建立
• 3.3.1 充分发展对流换热
• 3.3.2 内展翅片管物理模型假设
• 3.3.3 流动与传热控制方程的建立
• 3.3.4 物性参数
• 3.4 边界条件
• 3.4.1 壁面边界条件
• 3.4.2 流体进出口边界条件
• 3.5 初始条件
• 3.6 本章小结
• 4 数值模拟计算过程、结果及分析
• 4.1 FLUENT 数值求解
• 4.1.1 选择合适的解算器
• 4.1.2 输入网格和检查网格
• 4.1.3 选择解的格式
• 4.1.4 定义基本模型和流体物性
• 4.1.5 定义边界条件
• 4.1.6 控制方程的离散及设定亚松弛因子
• 4.1.7 流场初始化
• 4.1.8 迭代计算
• 4.2 数值计算结果及分析
• 4.2.1 不同流速下光管流场分析
• 4.2.2 不同流速下内展翅片管流场分析
• 4.3 不同流速下光管、内展翅片管换热及阻力性能比较
• 4.3.1 光管和内展翅片管湍动能比较分析
• 4.3.2 光管和内展翅片管换热特性分析
• 4.4 本章小结
• 5 内展翅片管热力性能的评价与实验分析
• 5.1 WEBB 热力性能指标
• 5.2 热力性能计算公式的推导
• 5.3 Ⅰ～Ⅳ号内展翅片管换热性能评价
• 5.4 数据对比及误差分析
• 5.4.1 模拟数据与实验数据对比
• 5.4.2 相对误差分析
• 5.5 本章小结
• 6 结论
• 6.1 结论
• 6.2 研究工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录