螺旋通道内对流换热热力性能数值模拟

论文摘要

螺旋通道作为一种高效强化换热管,由于其结构紧凑广泛存在于各种机械装置中的管路系统,热交换器以及核动力和其它动力装置系统中。尽管对螺旋通道内对流换热的问题进行了大量的研究,但大部分都是以热力学第一/二定律为基础,针对螺旋管通道内层流充分发展段对流换热特性的研究。而螺旋管通道内湍流对流换热特性的研究和螺旋通道入口段内对流换热特性的研究都很少,是迫切需要解决的问题,也是对管路系统的性能以及机械装置运行安全至关重要的问题。因此本课题的研究具有重要的理论意义和广阔的应用前景。本文在总结和分析了一个世纪以来有关曲线管道内流动和换热特性的研究成果的基础上,对两种典型工况下圆形截面螺旋通道内包含入口段的三维层流对流换热,三维湍流对流换热以及螺旋通道内无量纲熵产数进行了系统的数值模拟。此外还对恒壁温工况下内环加热外环绝热和内环绝热外环加热以及内外环均加热三种情况下环形截面螺旋通道内三维层流对流换热的热力性能进行了数值模拟。研究的雷诺数为200-1000（层流）和2×104-6×104（湍流）,无量纲螺距为0.1-0.2,曲率范围为0.1-0.3。详细讨论了各种无量纲参数对螺旋通道内轴向速度分布,轴向温度分布,管道摩擦系数,管道努谢尔特数以及管道无量纲熵产数的影响,计算结果表明:①在入口段,二次流的作用可以忽略,随着转角的增大,二次流作用加强。垂直于轴向截面的最大速度向管外侧移动,当流动为层流时,温度分布出现两个涡胞,当流动为湍流时,温度分布却没有发现涡胞。②轴向截面平均摩擦系数,轴向截面平均努谢尔特数和螺旋通道内无量纲总熵产数随着雷诺数,曲率和螺距的变化呈现不同的变化规律,和曲率相比,螺距对传热和流动性能的影响可忽略不计。③与两种典型工况下直管内层流流动相比,圆形截面螺旋通道内充分发展段轴向横截面平均努谢尔特数是直管的2.622-7.1倍（恒壁温工况）和2.64-7.3倍（恒热流工况）;圆形截面螺旋通道内轴向横截面平均摩擦系数是直管的1.5-3倍（恒壁温工况）和1.62-3.23倍（恒热流工况）。与两种典型工况下直管内的湍流流动相比,圆形截面螺旋通道内充分发展段轴向横截面平均努谢尔特数是直管的1.35-2.2倍（恒壁温工况）和1.7-2.7倍（恒热流工况）;圆形截面螺旋通道内充分发展段轴向横截面平均摩擦系数是直管的1.4-2.25倍（恒壁温工况）和1.57-2.52倍（恒热流工况）。④恒壁温工况下环形截面螺旋通道内的对流换热热力性能,其变化规律与圆形截面变化规律相同。但与圆形截面螺旋通道相比,Num和fm减小。外侧加热时,Num平均减小21.4%,fm平均减小20.6%;内侧加热时Num平均减小11.6%,fm平均减小15.6%。两侧均加热时,外环的Num和fm与外侧加热时相比,内环的Num和fm与内侧加热时相比,fm没有变化,Num增加且波动增强。螺旋通道内无量纲总熵产数首先在环形截面螺旋通道两侧加热时最大,其次是圆形截面的情况,再次是外侧加热的情况,最后是内侧加热的情况。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 曲线管道内部流动与换热特性研究综述
• 1.2.1 平面弯管内的定常流动与换热特性
• 1.2.2 螺旋通道内定常流动与换热特性
• 1.2.3 曲线管道入口段流动与换热特性
• 1.2.4 曲线管道内湍流研究
• 1.3 螺旋通道内流动与换热特性研究意义
• 1.4 本文的研究目的和主要内容
• 1.4.1 本文研究的目的
• 1.4.2 本文研究的主要内容
• 2 圆形截面螺旋通道内对流换热数学物理模型及数值模拟方法
• 2.1 物理模型及相关假设
• 2.2 数学模型
• 2.3 几何模型的建立及网格生成
• 2.3.1 几何模型的建立
• 2.3.2 网格的生成
• 2.4 FLUENT 数值求解
• 2.4.1 输入网格和检查网格
• 2.4.2 选择求解器
• 2.4.3 定义基本模型和流体物性
• 2.4.4 控制方程的离散及设定松弛因子
• 2.4.5 流场初始化
• 2.4.6 迭代计算
• 2.5 本章小结
• 3 圆形截面螺旋通道内对流换热特性数值计算结果与分析
• 3.1 恒壁温工况下螺旋通道内层流流动热力性能分析
• 3.1.1 速度场分布和温度场分布
• 3.1.2 雷诺数对传热和流动性能的影响
• 3.1.3 曲率对传热和流动性能的影响
• 3.1.4 螺距对传热和流动性能的影响
• 3.1.5 不可逆性能
• 3.2 恒热流工况下螺旋通道内层流流动热力性能分析
• 3.2.1 速度场分布和温度场分布
• 3.2.2 雷诺数对传热和流动性能的影响
• 3.2.3 曲率对传热和流动性能的影响
• 3.2.4 螺距对传热和流动性能的影响
• 3.2.5 不可逆性能
• 3.3 恒壁温工况下螺旋通道内湍流流动热力性能分析
• 3.3.1 速度场分布和温度场分布
• 3.3.2 雷诺数对传热和流动性能的影响
• 3.3.3 曲率对传热和流动性能的影响
• 3.3.4 螺距对传热和流动性能的影响
• 3.3.5 不可逆性能
• 3.4 恒热流工况下螺旋通道内湍流流动热力性能分析
• 3.4.1 速度场分布和温度场分布
• 3.4.2 雷诺数对传热和流动性能的影响
• 3.4.3 曲率对传热和流动性能的影响
• 3.4.4 螺距对传热和流动性能的影响
• 3.4.5 不可逆性能
• 4 环形截面螺旋通道内对流换热特性的数值模拟
• 4.1 物理模型
• 4.2 数学模型
• 4.2.1 控制方程
• 4.2.2 边界条件
• 4.2.3 计算结果的数值处理
• 4.3 计算结果分析
• 4.3.1 恒壁温工况下单侧加热时螺旋通道内层流对流换热热力性能分析
• 4.3.2 恒壁温工况下两侧加热时螺旋通道内层流对流换热热力性能分析
• 5 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 后续研究工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录