波纹管传热强化及其轴向承载能力研究

论文摘要

现代工业的迅猛发展，以及日益严重的世界能源危机，使得能量有效利用技术越来越受到重视。波纹管由于具有强化传热效果，因此也被越来越多地应用于管壳式换热器中。但如今，有关波纹管的传热强化机理仍然不是十分清楚，波纹管内传热系数的计算没有比较精确的公式，波纹管换热器的强度设计也没有特定而明确的设计标准可依。因此，对波纹管传热强化性能及其轴向承载与变形能力的研究具有较高的理论价值和工程应用价值。本论文首先对波纹管内不同粘度介质强制对流时的流动和传热特性进行了数值模拟和实验验证，重点研究了波纹管的强化传热机理和相对于直管的强化传热效果。通过分析不同流动条件下的流动现象以及局部传热系数的分布特点，发现波峰内出现的“涡”对波纹管的传热强化具有关键性作用；波纹管内流动从层流过渡到湍流时的临界雷诺数要比直管低；关于波纹管的强化传热效果，论文发现了波纹管在不同流动条件下相对于直管的最佳强化比和最佳传热强化区。通过研究波纹管的结构参数及管内流体的物性参数对其传热与阻力性能的影响，本论文还拟合出了波纹管内强制对流时的传热准则方程及摩擦系数关联式。通过这些关联式计算的结果和实验或数值模拟结果非常吻合。其次，通过对波纹管套管换热器进行传热性能实验和数值模拟，本论文考查了波纹管对管外流体的传热强化特性。结果表明，对于本论文中研究的波纹管套管换热器模型，当管内外介质均为水且雷诺数相同时，管外的平均传热系数要显著低于管内，这说明波纹管套管换热器以管外传热控制为主；波纹管对其管外的传热具有明显的强化作用，相对于同样条件下的直管来说，最大强化比约为3；对波纹管套管换热器结构参数的研究则表明，从强化传热的角度来说，较小的套管内径及波纹管圆弧半径对强化传热更有利；为便于波纹管换热器的工程设计和应用，本论文根据正交试验设计和多变量线性拟合，还得到了波纹管套管换热器管内外介质均为水时管外强制对流的传热系数关联式，该无因次准数关联式较好地考虑了结构参数的影响，经实验或数值计算验证，其精度也在工程允许范围之内。另外，本论文还通过实验应力分析和有限元数值模拟，对波纹管在轴向拉伸载荷作用下的强度进行了研究，讨论了波纹管中轴向和环向应力的分布特点，并与相同条件下的直管进行了对比。研究发现，由于波纹管结构的不连续性，管壁内的应力分布变得复杂，特别是环向应力变得比较显著。通过沿管壁厚度方向进行应力线性化处理，发现在轴向应力中出现了弯曲应力，其值甚至超过了轴向应力的平均值；此外，弯曲应力沿轴向有所变化，而平均应力基本不变。在对波纹管进行参数分析后，本论文拟合出了一个用于计算弯曲应力的简易公式，该公式为波纹管在工程应用中的强度评判提供了一定的便利。最后，为确定波纹管的轴向刚度，本论文还对波纹管在轴向拉伸或压缩载荷作用下的轴向变形进行了有限元数值模拟和实验研究，并考虑了所有相关结构参数的影响。通过与相同条件下的直管进行对比分析，并定义“刚度削弱系数”K_f，本论文提出了波纹管轴向刚度的简易计算公式，该公式可用于在波纹管换热器的设计中计算波纹管的轴向变形。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题来源及研究的目的和意义
• 1.2 前人研究工作综述
• 1.2.1 管壳式换热器强化传热技术
• 1.2.2 管程强化传热
• 1.2.3 壳程强化传热
• 1.2.4 波纹管换热器
• 1.3 本论文研究内容
• 1.4 本课题的难点
• 1.5 本课题的创新点
• 第二章 波纹管内低粘度介质强制对流时的传热与阻力性能研究
• 2.1 粘性流体运动的基本方程及定解条件
• 2.1.1 粘性流体运动的基本方程
• 2.2 计算流体动力学概述及湍流模型在CFD中的应用
• 2.2.1 计算流体动力学概述
• 2.2.2 湍流模型概述及其在CFD中的应用
• 2.3 波纹管单管传热与阻力性能实验概述
• 2.4 基于CFD的波纹管内传热与阻力性能的数值模拟
• 2.4.1 分析软件简介
• 2.4.2 数值模拟前的简化假设
• 2.4.3 流体物性
• 2.4.4 几何模型
• 2.4.5 边界条件
• 2.4.6 网格研究
• 2.4.7 结果分析及讨论
• 2.4.8 波纹管管型对管内流动与传热性能的影响
• 2.5 波纹管内低粘度流体强制对流时的传热准则关联式与摩擦系数关联式
• 2.5.1 传热准则关联式
• 2.5.2 传热准则关联式的验证和扩展
• 2.5.3 波纹管摩擦系数的经验关联式
• 2.6 本章小结
• 第三章 波纹管内较高粘度介质强制对流时的传热与阻力性能研究
• 3.1 波纹管内较高粘度介质强制对流时传热与阻力性能的数值模拟
• 3.1.1 流体物性
• 3.1.2 模型及边界条件
• 3.1.3 结果分析及讨论
• 3.1.4 波纹管管型对管内流动与传热性能的影响
• 3.2 波纹管内较高粘度介质强制对流时传热与阻力性能关联式
• 3.2.1 传热准则方程
• 3.2.2 传热准则关联式验证
• 3.2.3 摩擦系数关联式
• 3.3 本章小结
• 第四章 波纹管套管换热器管外强化传热性能研究
• 4.1 波纹管套管换热器强化传热性能实验概述
• 4.2 基于CFD的波纹管套管换热器强化传热性能的数值模拟
• 4.2.1 分析软件介绍
• 4.2.2 计算模型
• 4.2.3 结果分析与讨论
• 4.3 波纹管套管换热器结构参数对管外传热性能的影响
• 4.3.1 套管内径对管外传热性能的影响
• 4.3.2 波纹管圆弧半径对管外传热性能的影响
• 4.4 波纹管套管换热器管外介质为水时的强制对流传热关联式的拟合
• 4.4.1 正交试验设计简介
• 4.4.2 波纹管套管换热器管外介质为水时强制对流传热关联式的拟合
• 4.5 本章小结
• 第五章 波纹管在轴向拉伸载荷作用下的强度和刚度研究
• 5.1 波纹管的轴向拉伸实验
• 5.1.1 实验目的和基本原理
• 5.1.2 试件规格
• 5.1.3 布片方案
• 5.1.4 实验设备
• 5.1.5 实验步骤
• 5.1.6 实验数据整理和分析
• 5.1.7 误差分析
• 5.2 波纹管在轴向拉伸载荷作用下的强度研究
• 5.2.1 模型说明
• 5.2.2 结果分析及讨论
• 5.2.3 波纹管内轴向应力的探讨
• 5.3 波纹管在轴向拉伸载荷作用下的刚度研究
• f的影响'>5.3.1 波纹管壁厚对K_f的影响
• f的影响'>5.3.2 波纹管波距对K_f的影响
• f的影响'>5.3.3 波纹管大圆弧半径对K_f的影响
• f的计算公式拟合和验证'>5.3.4 K_f的计算公式拟合和验证
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 论文的主要结论
• 6.2 对于本课题研究的展望
• 参考文献
• 附录A 不锈钢波纹管单管传热与阻力试验数据
• 附录B 不锈钢波纹管套管传热性能试验数据
• 附录C 波纹换热管轴向拉伸实验原始数据
• 附录D 路径AA到路径DD上的应力线性化结果
• 致谢
• 研究成果及发表的学术论文
• 作者和导师简介
• 博士研究生学位论文答辩委员会决议书