内置旋转扭带强化传热机理及清洗动力学研究

论文摘要

换热设备的低效率和污垢沉积问题一直是一个世界性的难题。研究开发的旋转清洗扭带技术具有强化传热和污垢在线清洗的双重功效，用旋转扭带制作和改造的换热器，能够长期保持高效率运行。 本文针对旋转扭带的强化传热机理和清洗动力学，开展了许多研究工作，主要包括以下几个方面的内容： （1） 内置旋转扭带管流动和湍流特性实验研究 应用激光测试技术对内置旋转扭带管和普通光管内流体的流动进行了对比实验研究。研究结果表明：内置旋转扭带管内流体的轴向速度场、切向速度场、轴向湍流度和切向湍流度的分布规律与光管相比有着明显的不同。内置旋转扭带管内近管壁区流体的轴向速度明显比光管的大；内置旋转扭带管内流体有着明显的切向运动，而光管内流体只有随机的切向运动；内置旋转扭带管内流体的湍流强度场比光管的大。依据内置旋转扭带管和光管速度场和湍流强度场的实验结果，对旋转扭带强化传热的机理进行了初步分析。 （2） 内置扭带管流动与传热数值模拟 对内置旋转扭带管内流体的流动进行了分析，根据内置旋转扭带管流体的旋流场特点，提出了旋转扭带虚拟等效静螺距的概念，即将流体在内置旋转扭带管内的螺旋运动虚拟等效为在螺距增大的静止扭带管内的螺旋运动。 建立了内置螺旋扭带管流动和传热三维模型。应用能充分反映旋流场流动特性的RNG κ-ε模型对内置旋转扭带管、内置静止扭带管、内置旋转扭带虚拟等效静止扭带管和光管的流动和传热进行了数值模拟。 数值模拟研究结果表明：内置扭带管内流体的流动是复杂的三维螺旋流动，其速度场和湍流强度场不同于普通光管；螺旋扭带的扭率对流体流动的压力降和传热有很大的影响；模拟发现内置旋转扭带管内有二次流流动，而内置旋转扭带虚拟为螺距增大的静止扭带后，管内没有发现二次流动；内置旋转扭带虚拟等效为螺距增大的静止扭带后，二者的传热特性和阻力特性并非完全相同。速度场和湍流强度场的数值模拟结果与激光测试进行了比较，二者非常吻合。 （3） 内置旋转扭带管传热强化机理研究 在内置旋转扭带管流场的激光测试和数值模拟研究工作的基础上，提出旋转扭带强化传热的机理有：①换热管的当量直径减少效应强化；②近管壁区域流速加大效应强化；③螺旋线流动流速加大效应强化；④二次流流动流速加大效应强化。对螺旋扭带的这些强化传热机理进行了定量的理论分析研究。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 图表清单
• 主要符号说明
• 1 绪论
• 1.1 概述
• 1.1.1 换热设备普遍存在的问题
• 1.1.2 换热设备的研究方向
• 1.1.2.1 强化传热技术研究
• 1.1.2.2 防垢除垢技术研究
• 1.1.2.2 安全防腐可靠性技术研究
• 1.1.3 本文研究方向的确定
• 1.2 扭带技术研究状况
• 1.2.1 静止扭带强化传热技术研究状况
• 1.2.1.1 湍流强化传热研究
• 1.2.1.2 层流粘性流强化传热研究
• 1.2.1.3 二相流强化传热研究
• 1.2.1.4 扭带复合强化传热研究
• 1.2.1.5 静止扭带强化传热技术的应用
• 1.2.2 旋转清洗扭带技术研究状况
• 1.3 本文主要研究内容
• 1.4 本文工作背景
• 1.5 本章小结
• 2 内置旋转扭带管流动和湍流特性实验研究
• 2.1 引言
• 2.2 现代流体测试技术简介
• 2.3 实验装置与方法
• 2.3.1 实验装置
• 2.3.2 激光测试系统
• 2.3.3 测试元件参数
• 2.4 实验结果分析与讨论
• 2.4.1 轴向速度场分布
• 2.4.2 切向速度场分布
• 2.4.3 轴向湍流强度场分布
• 2.4.4 切向湍流强度场分布
• 2.5 测试误差分析
• 2.6 传热强化机理初步分析
• 2.7 本章小结
• 3 内置扭带管流动与传热数值模拟
• 3.1 引言
• 3.2 旋转扭带管内流体的运动分析
• 3.2.1 流体在与扭带等宽直径范围内的运动分析
• 3.2.2 流体在扭带与管内壁环隙区域内的运动分析
• 3.3 流体控制方程
• 3.4 湍流模型
• 3.4.1 湍流模型概述
• 3.4.2 RNGκ-ε模型
• 3.5 数值计算方法
• 3.5.1 传热问题数值计算方法
• 3.5.2 有限容积法CFD软件简介
• 3.5.3 FLURNT软件简介
• 3.5.3.1 软件组成
• 3.5.3.2 软件应用简介
• 3.6 数值计算过程
• 3.6.1 模型参数及网格
• 3.6.2 求解控制选择
• 3.6.3 边界条件和初始条件
• 3.6.4 收敛性讨论
• 3.7 模拟结果对比分析讨论
• 3.7.1 流线对比分析
• 3.7.2 速度场对比分析
• 3.7.3 湍流强度场对比分析
• 3.7.4 对流换热系数场对比分析
• 3.7.5 传热特性、湍流特性和阻力特性对比
• 3.8 本章小结
• 4 内置旋转扭带管传热强化机理分析
• 4.1 引言
• 4.2 内置扭带传热强化机理分析
• 4.2.1 当量直径减少效应强化
• 4.2.2 近管壁区域流速加大效应强化
• 4.2.3 螺旋线流动流速加大效应强化
• 4.2.4 二次流流速加大效应强化
• 4.2.5 传热强化控制机理综合分析
• 4.2.6 摩擦阻力综合分析
• 4.4 内置旋转扭带管流动与对流传热性能试验
• 4.4.1 试验系统
• 4.4.2 对流换热实验结果与讨论
• 4.4.3 阻力性能试验
• 4.5 本章小结
• 5 旋转扭带自转清洗流体动力学理论研究
• 5.1 引言
• 5.2 旋转扭带管内流体的切向速度场模型
• 5.3 旋转扭带清洗动力矩的理论分析
• 5.3.1 旋转扭带清洗动力矩的理论计算
• 5.3.2 旋转扭带清洗动力矩的工程应用指导
• 5.4 旋转扭带清洗动力矩的强化理论分析
• 5.4.1 扭带清洗动力矩的管口轴承旋流强化
• 5.4.2 扭带清洗动力矩的斜齿强化
• 5.5 本章小结
• 6 旋转扭带清洗动力矩实验研究
• 6.1 引言
• 6.2 实验装置与实验方法
• 6.3 光滑旋转扭带清洗动力学实验结果
• 6.3.1 光滑扭带自转速度与流体流速的关系
• 6.3.2 光滑扭带清洗动力矩实验结果
• 6.4 齿型扭带动力学实验结果
• 6.4.1 齿型扭带清洗动力矩实验结果
• 6.4.2 齿型扭带自转速度与流体流速关系
• 6.4.3 齿型扭带的传热特性
• 6.4.4 齿型扭带流动阻力特性
• 6.5 本章小结
• 7 旋转清洗扭带强化传热技术工业应用研究
• 7.1 引言
• 7.2 实验装置与方法
• 7.2.1 实验装置
• 7.2.2 污垢粘附速率实验方法
• 7.2.3 管壁磨损速率实验方法
• 7.2.4 动态污垢热阻实验方法
• 7.3 实验结果分析与讨论
• 7.3.1 污垢粘附速率实验结果对比分析
• 7.3.2 管壁磨损速率实验结果对比分析
• 7.3.3 动态污垢热阻实验结果对比分析
• 7.4 本章小结
• 8 结语
• 8.1 结论
• 8.2 下一步研究设想
• 致谢
• 攻读博士期间发表的相关论文
• 攻读博士期间主持和参与的研究课题
• 参考文献