内置组合式扭带换热管内流动与传热的数值模拟

论文摘要

传热强化技术对提高换热设备传热性能与减少换热设备重量具有十分重要的意义,扭带作为强化传热的主要措施之一,其相关的基础与应用研究一直备受重视。本文建立了不同余隙率及扭率的扭带换热管以及螺旋和直板组合式扭带换热管的数学模型及物理模型,采用大型流体分析软件Fluent中的RNG k-ε模型分别对它们进行数值模拟研究,通过观察换热管中流体的速度场、温度场、压力场及流线图,分析了各种插入件换热管的换热特性及阻力特性,并在此基础上通过综合性能评价标准分别对其进行综合性能分析,得出的主要结论如下:①同一Re数下,普通扭带换热管的Nu数和f数均随着扭带余隙率和扭率的增大而减小;当扭带余隙率CR=0.1,扭率Y=5时换热管具有最佳的综合传热性能,强化传热效果最明显。②对于内置螺旋和直板组合式扭带换热管,平均表面换热系数和压力损失均随着螺旋段长度比例的增加而增大,螺旋段长度约占组合式扭带长度1/4时,换热管的综合强化传热性能最佳。组合式扭带直板段的宽度对Nu数影响不大,但f随着直板宽度的增加而增大。对于直板和螺旋间隔排列的组合式扭带换热管,直板长度为螺旋长度1.5～2倍时换热管能够发挥最佳的强化传热性能。③在整个模拟Re数范围内,螺旋和直板组合式扭带的强化传热性能均优于普通扭带,但在高Re数下,特别是当Re数大于25000时,换热管中内置插入件由于其强旋流,会产生较大的压力损失,从而使综合强化传热性能削弱,如果对负荷有限制的话则不适宜采用插入件式换热管。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 强化传热技术的研究进展
• 1.3 国内外插入件换热器的发展现状
• 1.4 本文研究的内容
• 第二章 内置扭带换热管的理论分析
• 2.1 内置插入件换热器的特点
• 2.2 内置扭带的传热机理分析
• 2.2.1 水力直径的减小对强化换热的影响
• 2.2.2 近壁区域流速增大对强化换热的影响
• 2.2.3 流体的螺旋形流动对强化换热的影响
• 2.2.4 二次流对强化换热的影响
• 2.3 小结
• 第三章 数值模拟的物理及数学模型
• 3.1 物理模型
• 3.1.1 螺旋扭带
• 3.1.2 螺旋和直板组合式扭带
• 3.2 数学模型及数值方法
• 3.2.1 基本控制方程
• 3.2.2 网格划分
• 3.2.3 物性参数的选取
• 3.2.4 边界条件
• 3.3 湍流数学模型
• 3.3.1 标准k-ε模型
• 3.3.2 RNG k-ε模型
• 3.3.3 Realizable k-ε模型
• 3.3.4 湍流数学模型的验证
• 3.4 小结
• 第四章 数值模拟结果分析与讨论
• 4.1 内置螺旋扭带流动与传热的数值模拟结果分析
• 4.1.1 扭带余隙率对换热管内流动与传热性能的影响
• 4.1.2 扭带扭率对换热管内流动与传热性能的影响
• 4.2 内置螺旋和直板组合式扭带流动与传热的数值模拟结果分析
• 4.2.1 螺旋和直板不同长度比例对流动与传热的影响
• 4.2.2 直板不同宽度对流动与传热的影响
• 4.2.3 螺旋与直板间隔排列对流动与传热的影响
• 4.3 小结
• 第五章 内置组合式扭带换热管换热性能的综合评价
• 5.1 评价指标及标准
• 5.1.1 评价指标的建立
• 5.1.2 三种常用评价准则
• 5.1.3 本文所采用的评价准则
• 5.2 内置组合式扭带换热管的综合换热性能评价
• 5.2.1 内置螺旋扭带换热管的综合换热性能评价
• 5.2.2 内置螺旋和直板组合式扭带换热管的综合换热性能评价
• 5.3 小结
• 结论与展望
• 总结
• 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A（攻读学位期间论文及专利发表情况）
• 详细摘要