EHD强化管壳式换热器对流换热过程的数值模拟及实验研究

论文摘要

目前,现代化进程加速,对于新科技的要求不断提高,能源以其重要地位已成为解决环境、生态等重要问题的关键因素。在此背景下,20世纪80年代以来,被誉为“第二代传热技术”的强化传热技术得到了“飞跃式”发展,成果显著。在换热器的工业使用中应用强化传热技术,不仅能节约能源、保护环境,而且能大幅度减少投资和运营的成本。电场强化传热就是属于“主动式”的一种强化传热技术,它是一种将电场引入传热学领域,利用电场、流场、热场协同作用达到强化传热的有效新技术。本文基于自行设计和制造的电场强化传热实验平台,以水作为工质,以实验用换热器为几何模型,建立相关物理模型,耦合电场、流场和热场,对电场强化单管管壳式换热器管程和壳程的流动性能和传热性能均进行数值模拟研究;通过实验研究了电场强化管内对流换热过程和分析了流动参数和电场参数对强化效果的影响,探讨强化作用机理,并对比实验研究结果和数值计算结果。通过对换热器管程的数值模拟计算得出的结果,对管内流动性能进行研究发现,在管内入口和出口出存在速度突变,除此之外流速分布均匀,对比施加高压电压发现,电场对管内流体的流动性能影响不大;同时,对管内传热性能进行研究发现,电场对温度分布的影响在轴向上呈现不不均匀影响,随着离子化程度增强电场对管内温度的影响越大;通过对换热器壳程的数值模拟计算得出的结果,对壳程流动性能和传热性能研究发现,由于高压电线管内中心布置,电场随径向逐渐减弱,导致电场对壳程流动和传热性能影响均不明显。实验中,在水套管换热器换热管中心设置一直流式高压电极,电极电压设置范围为DC 0-40kV,分别进行了5组不同流量下不同电压值的组合强化实验。实验结果表明:不同管内流量条件下电场对管内传热过程均有不同程度的强化作用,当流量为0.1m3/h时,其电场强化系数θ最大,可达1.224;流量为1.0m3/h时,电场强化系数θ最小,证实了电场对于以水为工质的对流传热过程具有强化作用。但亦发现,电场强化效果具有对流量变化敏感性的特点,且同流量下存在最佳强化电压值问题,而非电压值越高强化效果越优。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 强化传热的研究现状
• 1.2.1 强化传热概述
• 1.2.2 强化传热的基本途径
• 1.2.3 强化传热技术分类
• 1.3 EHD 强化传热的研究现状
• 1.4 换热器的类型及应用
• 1.5 数值模拟方法概述
• 1.5.1 数值模拟和CFD 技术概述
• 1.5.2 FLUENT 软件简介
• 1.6 本文主要研究内容
• 第2章 EHD 强化对流传热机理研究及模型建立
• 2.1 流体电场力的基本方程
• 2.1.1 单相流体所受到的电场力
• 2.1.2 汽液两相中流体所受到的电场力
• 2.2 耦合场数值计算
• 2.3 几个影响参数的讨论
• 2.3.1 电荷松弛时间
• 2.3.2 影响自由电荷的参数
• 2.4 电场强化传热的电极模型的研究
• 2.4.1 电极形状分类
• 2.4.2 电极数量和电极与换热表面之间距离的影响
• 2.4.3 电极位置分类
• 2.4.4 电场强化管内传热的电极模型
• 2.5 本章小结
• 第3章 EHD 强化管壳式换热器流动性能和传热性能的数值模拟
• 3.1 EHD 强化传热换热器管程计算模型
• 3.1.1 管程模型简化假设
• 3.1.2 几何模型
• 3.1.3 控制方程
• 3.1.4 网格划分
• 3.2 换热管边界条件及计算方法
• 3.2.1 入口边界
• 3.2.2 出口边界
• 3.2.3 壁面边界
• 3.2.4 耦合电场计算
• 3.2.5 计算方法
• 3.3 管程计算结果分析和讨论
• 3.3.1 速度分布
• 3.3.2 温度分布
• 3.3.3 EHD 强化传热分析
• 3.4 EHD 强化传热换热器壳程计算模型
• 3.4.1 几何模型
• 3.4.2 控制方程
• 3.4.3 网格划分
• 3.5 壳程边界条件及计算方法
• 3.5.1 边界条件
• 3.5.2 计算方法
• 3.6 壳程计算结果分析和讨论
• 3.6.1 壳程流动特性分析
• 3.6.2 壳程传热特性分析
• 3.6.3 外加电压对壳程流体流动和传热特性的影响
• 3.7 本章小结
• 第4章 EHD 强化管内传热性能的实验研究
• 4.1 实验目的
• 4.2 实验方案
• 4.3 实验装置
• 4.3.1 实验换热管段
• 4.3.2 数据测量装置
• 4.3.3 其它实验设备
• 4.4 实验条件和步骤
• 4.4.1 实验条件
• 4.4.2 实验步骤
• 4.5 实验数据处理
• 4.6 实验结果与分析
• 4.6.1 电场参数对传热性能分析
• 4.6.2 电场强化系数变化分析
• 4.6.3 数值模拟结果与实验数据对比
• 4.6.4 误差分析
• 4.7 本章小结
• 第5章 结论和展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士期间已发表的论文
• 附录:部分实验采集原始数据
• 致谢
• 项目资助