管壳式换热器自激振荡脉动强化传热技术研究

论文摘要

论文针对目前工业上管壳式换热器无源功脉动强化传热问题,在查阅大量相关文献的基础上,开发设计了一系列不同结构的自激振荡腔体来实现管壳式换热器的无源强化传热。论文从理论上分析了脉动强化传热机理和自激振荡机理:得到了流体脉动对于管内流场及温度场的影响和影响流体脉动强化传热的因素;认为剪切层的不稳定性是形成自激振荡的决定因素;并利用水电比拟的流体网络理论模型推导出腔体固有频率的计算公式。利用FLUENT非定常流动模型计算了自激振荡腔体内部的流场,揭示了自激振荡脉动机理。利用FLUENT对振荡腔内流场进行了分析,得出腔体的结构参数对自激振荡的形成至关重要,操作参数直接影响出口动能大小。通过大量数值模拟得出腔体结构参数优化范围,碰撞壁锥角:120度;腔体直径与出口直径之比Dc/d2:4～7;出口直径与入口直径之比d2/d1:2～2.3;腔体长径比Lc/Dc:0.4～0.7。发生振荡腔体结构需要满足三个条件,即腔体具备合理的长径比,入口能够提供足够的射流湍动能以及出口具备良好的射流过流特性。通过自激振荡脉动强化传热试验研究得到了:激振荡腔体在一定的结构参数和运行参数下,能够使流体产生脉动;在相同Re数下,振荡腔体的长径比不同,对换热系数的影响也不相同,存在最佳长径比,在此长径比下强化传热比E达到最大值;随着管内流动情况的改变,相应提高了流体流动阻力,导致阻力损失增加,并且Re数越大,阻力损失越大。实验数据对自激振荡腔体设计和现场应用具有重要指导意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 研究及应用现状
• 1.2.1 研究现状
• 1.2.2 应用现状
• 1.3 研究内容、方法及技术路线
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 研究方法、技术路线
• 第二章 脉动强化传热理论分析
• 2.2 流体脉动对于管内流场及温度场的影响
• 2.2.1 管内脉动流动无因次方程的建立
• 2.2.2 管内脉动流动无因次方程的数值解
• 2.3 流体脉动强化传热机理
• 2.4 影响流体脉动强化传热的因素分析
• 2.4.1 流体脉动频率对换热的影响
• 2.4.2 流体脉动振幅对换热的影响
• 2.4.3 流体平均流速对换热的影响
• 2.4.4 管径对换热的影响
• 2.4.5 流体的物理性质对换热的影响
• 2.4.6 脉动型式对换热的影响
• 2.5 小结
• 第三章 自激振荡理论分析
• 3.1 自激振荡腔内剪切层流动的稳定性分析
• 3.2 自激振荡腔频率特性分析
• 3.3 自激振荡产生的有效激励条件
• 3.4 自激振荡机理
• 3.5 小结
• 第四章 自激振荡腔数值模拟
• 4.1 结构参数对腔内涡环结构的影响
• 4.1.1 数值试验工况
• 4.1.2 最佳腔体的涡环结构特点
• 4.1.3 碰撞壁锥角对涡环结构的影响
• 4.1.4 腔体直径对涡环结构的影响
• 4.1.5 腔体长度对涡环结构的影响分析
• 4.1.6 出口直径对涡环结构的影响
• 4.1.7 出入口同心度对涡环结构的影响
• 4.2 操作参数对腔内涡环结构的影响
• 4.2.1 入口压力变化对涡环结构的影响
• 4.2.2 入口流速变化对涡环结构的影响
• 4.3 小结
• 第五章 自激振荡脉动强化传热试验研究
• 5.1 自激振荡脉动强化传热试验
• 5.1.1 试验研究目的
• 5.1.2 试验装置
• 5.1.3 试验方法
• 5.2 试验数据处理与分析
• 5.2.1 数据处理
• 5.2.2 试验结果分析
• 5.3 小结
• 结论
• 总结
• 展望
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士学位期间取得的学术成果
• 致谢