径向热管传热特性的实验研究与数值模拟

发布时间：2017-10-11 02:05

  本文关键词：径向热管传热特性的实验研究与数值模拟

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【摘要】：我国工业生产中存在大量含腐蚀性气体的余热烟气无法有效回收利用,因此装置径向热管的换热设备应运而生。径向热管以其良好的传热特性以及套管式结构可以有效防护露点腐蚀造成的危害。除此之外,径向热管还广泛应用于组合式换热器与高温热管生长炉当中。本文以无吸液芯同轴径向热管为研究对象,探讨了管外温度分布与传热过程的影响因素,并对热管在不同工况条件下的换热效果做出分析与比较,具体内容如下:(1)通过实验研究,得到了热管外壁温度分布与输出功率的变化规律,结果表明热管上侧温度相比底侧较高,并且外壁平均温度随着加热功率的增加和流量的减小而上升,有不凝气体进入热管夹层的径向热管与光管的输出功率明显低于夹层处于真空状况的热管,并且在正常工况下管径60 mm充液率30%热管的输出功率最大。(2)利用matlab12软件,进行实验数据的多项式回归,得到了综合传热系数与炉温-热管外径的拟合公式。并由拟合曲线得出在在43 mm-60 mm管径区间中,直径60 mm条件下的径向热管换热效果最佳。(3)对径向热管内部的蒸发-冷凝过程进行重点分析,推导出工质的平均冷凝换热系数(?)与沸腾换热系数(?)。建立了径向热管的热阻模型,对热管的传热特性进行研究;采用VOF模型对径向热管截面进行可视化模拟,为了使得模拟过程中的蒸发-冷凝现象更为明显考虑了表面张力在壁面上对液膜的作用,并基于Hertz-Knudsen方程编写了相变UDF程序。(4)运用VB程序对径向热管传热特性与轴向温度分布进行分析,模拟结果表明,管外温度分布趋势和冷却水输出功率与实验中基本一致。模拟得到了不同工况条件下各传热环节热阻,发现凝结液膜导热热阻与冷却水对流换热热阻是影响热管换热的关键因素,分析了液膜厚度与传热热阻随流量与炉温的变化规律。(5)基于Fluent软件对热管截面进行了可视化模拟。使用C语言编写UDF程序添加相变过程模拟的质量和能量源项,加入表面张力模型CSF,并对工质进行变物性处理,建立VOF多相流模型,模拟通过液相体积分数云图分析了气液相变规律,通过比较上下壁面平均温度发现实验与模拟值的误差均小于10%。
【关键词】：径向热管 数学模型 传热特性 实验研究 数值模拟
【学位授予单位】：安徽工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK172.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第一章 绪论9-20
• 1.1 研究背景与意义9-11
• 1.1.1 热管的发展与应用9-11
• 1.1.2 径向热管的结构与工作原理11
• 1.2 径向热管研究现状11-18
• 1.2.1 理论研究现状11-16
• 1.2.2 应用研究现状16-18
• 1.2.2.1 径向热管省煤器16-17
• 1.2.2.2 组合型换热器17
• 1.2.2.3 高温热管生长炉17-18
• 1.3 本课题研究内容18-20
• 第二章 同轴无吸液芯径向热管实验研究20-40
• 2.1 径向热管换热机理20
• 2.2 径向热管实验系统20-22
• 2.3 热管制作工艺22-23
• 2.4 测量系统不确定度分析23-24
• 2.5 实验结果与分析24-39
• 2.5.1 启动实验24-25
• 2.5.2 热管外壁面温度分布25-32
• 2.5.2.1 不同尺寸型号条件下的温度分布25-29
• 2.5.2.2 不同充液率下的温度分布29-30
• 2.5.2.3 特殊条件下的温度分布30-32
• 2.5.3 冷却水出口温度与输出功率32-35
• 2.5.4 径向热管的传热特性分析35-39
• 2.5.4.1 径向热管综合传热系数35-38
• 2.5.4.2 等效换热系数与热管外径的实验关联式38-39
• 2.6 本章小结39-40
• 第三章 径向热管理论分析与数学模型推导40-55
• 3.1 热管冷凝与蒸发过程理论分析40-43
• 3.1.1 水平管外膜状凝结换热系数40-42
• 3.1.2 管内蒸发换热系数42-43
• 3.2 径向热管传热热阻分析43-47
• 3.3 径向热管数值计算模型的建立47-53
• 3.3.1 数值模拟软件47-48
• 3.3.1.1 CFD模拟软件介绍47
• 3.3.1.2 自定义函数UDF介绍47-48
• 3.3.2 多相流模型的选择48-49
• 3.3.3 表面张力模型49-50
• 3.3.4 相变模型50-52
• 3.3.5 控制方程52-53
• 3.4 本章小结53-55
• 第四章 同轴无吸液芯径向热管数值模拟研究55-71
• 4.1 径向热管传热特性模拟分析55-62
• 4.1.1 模拟计算数学模型55-57
• 4.1.2 计算过程与结果分析57-62
• 4.2 热管径向截面可视化模拟62-70
• 4.2.1 径向热管截面模型网格划分62-63
• 4.2.2 边界条件与初始化条件63-64
• 4.2.3 求解方法与条件64-65
• 4.2.4 模拟结果与分析65-70
• 4.2.4.1 气液两相体积分数分布65-66
• 4.2.4.2 温度场分布66-70
• 4.3 本章小结70-71
• 第五章 结论与展望71-73
• 参考文献73-78
• 硕士期间发表论文情况78-79
• 致谢79

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本文编号：1009854