不同截面直管和螺旋管内幂律流体流动传热数值研究

发布时间：2020-05-24 00:54

【摘要】：非牛顿幂律流体流动传热现象在生产实际和自然界中广泛存在,尤其在工程实况中比较常见,比如工业混合搅拌技术、原油开采以及水煤浆输配等。近年来工业水平的提高使得能耗加剧,“节能增效”成为缓解能源压力的一大有力措施。我国能源以化石能源为主,化石能源中的流体又多数以非牛顿流体的形式存在,再加上非牛顿流体的流变特性较牛顿流体更为复杂多样,所以对其流动传热特性展开系统且详细研究具有深刻意义。本文以常见的非牛顿幂律流体为主要研究介质,研究不同截面直管和螺旋管内幂律流体的沿程阻力系数变化规律和对流换热规律。本文主要通过数值模拟对幂律流体在不同截面的直管和螺旋管内的流动与换热展开研究。首先将本文的数值模拟计算值与已有的实验关联式、经典实验值进行比较分析,对所选用的幂律模型和湍流模型进行验证。然后采用验证过的幂律模型和湍流模型对特定幂律流体在直管和螺旋管内的流动、传热进行数值模拟计算及分析。主要探讨分析了截面形状、雷诺数、幂律指数、相对粗糙度等多个因素对管内流体的流动和换热的影响。另外,由于螺旋管的几何构成稍微复杂,因此还考虑了曲率和无量纲螺距对管内流体流动及换热的影响规律,并对螺旋管内Y=0截面上的速度场、压强场和温度场变化规律进行了详细的分析及讨论。同时,为了更清晰的展现螺旋管内幂律流体的流动和换热特性,分别设定绝热条件和恒壁温条件进行模拟计算。研究结果显示,截面形状、雷诺数、幂律指数、相对粗糙度等因素对直管和螺旋管内的非牛顿幂律流体的流动沿程阻力系数及对流换热强度变化有一定程度的影响,各因素与流体流动和换热之间均有一定的相关性。另外,螺旋管的曲率和无量纲螺距对管内幂律流体的流动和换热也有不同程度的影响,结果显示曲率的影响明显更大。其原因在于改变曲率会改变迪恩数的大小,从而影响管内二次流的扰动程度,进而影响管内幂律流体流动阻力和换热能力的变化;而无量纲螺距变化并不改变迪恩数,对二次流的影响不大,因此对流动和换热的影响也相对较小。本文主要探讨了不同截面的直管和螺旋管内的非牛顿幂律流体流动阻力和对流换热的变化规律,旨在为研究非牛顿幂律流体的复杂流变特性导致的流动和换热规律特性提供一些理论参考。
【图文】：

牛顿、非牛顿流体的区别在流体中，认为只有牛顿流体具有严格意义上的粘度定义，非牛顿流体则必须有两个、甚

图 1.2 几种流体的流变曲线对比应力很小的时候便开始流动，随着剪切速率的增大，，剪切稀化特性，流变曲线如图 1.2 中的曲线③所示。沫凝胶、黄原胶溶液、CMC 溶液、大豆蛋白质等。
【学位授予单位】：山东建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ021.3

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本文编号：2678216