混沌翅片流道抗结垢性能的研究

论文摘要

随着社会进步和经济发展,能源危机已经成为世界各国面临的重大难题之一。换热设备是石油、化工、动力、能源、冶金、航空、车辆、制冷、食品等许多高耗能工业部门广泛使用的工艺设备。在众多热力系统的投资中,换热设备占有较大比重,其性能的好坏直接关系到经济效益的高低。然而,大多数换热设备都存在着不同程度的污垢问题。由于污垢的存在,使得换热设备的传热能力下降,介质流动阻力增大,从而造成了一系列的经济损失,因此,换热设备的结垢问题受到了各国研究者的广泛关注。板翅式换热器是一种高效换热设备,具有结构紧凑、轻巧、传热效率高等许多优点。然而由于其流道狭小,在相同的条件下结垢对其性能的影响较一般类型换热设备更为严重。针对这种情况,本文研究了一种能够产生混沌流的流道(混沌翅片流道),采用了理论分析、数值模拟和实验研究三者相结合的方法,对该流道的抗结垢性能进行研究。结合传质的特点,将反应器内研究混合情况的停留时间分布(RTD)概念引入流道抗结垢研究中,介绍了贝克列准数Pe的物理含义。同时,通过贝克列准数Pe与传热及传质之间联系指出了贝克列准数Pe是衡量管内对流传质的重要标志参数,并对其抗结垢效果做了定量分析,揭示了其在抗结垢方面应用的优越性。采用数值计算方法,应用大型FLUENT软件对混沌翅片流道内的流动性能进行数值模拟计算。模拟了流体在该混沌翅片流道内随流动的发展情况,流道内流体的雷诺数Re、普朗特数Pr、流道几何尺寸对流动及抗结垢性能的影响,并且与三角形直翅片流道进行了对比。结果表明,该混沌翅片流道具有较好的抗结垢性能。根据数值计算结果,拟合出了贝克列数Pe和流体及流道几何参数之间的准数关联式,为该类型流道在抗结垢方面的工程实际应用提供一定的参考。在本文的最后对这种流道的抗结垢性能进行了实验研究。实验结果表明,它与数值模拟结果相一致,从而证明了数值模拟的正确性和可靠性。总之,这种流道在抗结垢方面将具有广阔的应用和发展前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 混沌及其混沌流
• 1.2.1 混沌及其发展
• 1.2.2 混沌流及混合作用
• 1.3 污垢对换热设备的影响及其研究意义
• 1.3.1 污垢对换热设备的影响
• 1.3.2 污垢的研究意义
• 1.4 污垢的国内外研究进展
• 1.5 污垢的分类及形成过程
• 1.5.1 污垢的分类
• 1.5.2 污垢的形成过程及机理
• 1.6 污垢防治对策研究
• 1.6.1 化学法防垢机理
• 1.6.2 物理法防垢机理
• 1.7 本文研究的内容
• 第二章 数值模拟的理论基础
• 2.1 流体流动的基本方程
• 2.1.1 质量守恒方程
• 2.1.2 动量守恒方程
• 2.2 计算流体动力学（CFD）简介
• 2.3 数值模拟工具简介
• 2.4 停留时间分布（RTD）
• 2.5 贝克列数Pe与传质之间的关系
• 2.6 贝克列数Pe与传热之间的关系
• 2.6.1 对流传热基本定律
• 2.6.2 对流传热问题的数学描述
• 2.6.3 对流传热过程的相似分析
• 2.7 本章小结
• 第三章 数值模拟的主要技术路线
• 3.1 停留时间分布（RTD）数值模拟模型
• 3.2 RTD算例及分析
• 3.2.1 物理模型
• 3.2.2 数学模型
• 3.2.3 混沌翅片流道与三角形直翅片流道的比较
• 3.3 本章小结
• 第四章 混沌翅片流道抗结垢性能的数值研究
• 4.1 停留时间分布（RTD）随流体流动的发展情况
• 4.2 翅片流道内影响结垢因素的研究
• 4.3 几何模型的建立
• 4.4 网格划分
• 4.5 模拟试验
• 4.5.1 贝克列数Pe与普朗特数Pr之间关系
• 4.5.2 贝克列数Pe与雷诺数Re、普朗特数Pr之间关系
• 4.5.3 流速u对贝克列数Pe的影响
• 4.5.4 流道摆动量D对贝克列数Pe的影响
• 4.5.5 流道高宽比H/W对贝克列数Pe的影响
• 1/L₂对贝克列数Pe的影响'>4.5.6 流道扭曲比L₁/L₂对贝克列数Pe的影响
• 4.6 本章小结
• 第五章 混沌翅片流道抗结垢性能的实验研究
• 5.1 实验目的与原理
• 5.1.1 实验目的
• 5.1.2 实验原理
• 5.2 实验装置与仪器
• 5.2.1 实验流程及方法
• 5.2.2 实验设备及仪器
• 5.3 实验步骤
• 5.4 实验数据处理与结果分析
• 5.4.1 实验测量及数据处理
• 5.4.2 实验结果与数值模拟结果的对比分析
• 5.4.3 误差分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论和展望
• 6.1 工作总结与结论
• 6.2 本文的创新点
• 6.3 展望
• 参考文献
• 附录
• 硕士期间参加的科研项目及已发表文章
• 致谢