半圆形截面Zigzag通道内烃类介质流动与换热特性数值模拟研究

发布时间：2020-04-28 16:13

【摘要】：印刷电路板式换热器(Printed Circuit Heat Exchanger,PCHE),是通过化学蚀刻的方法在换热板上蚀刻出微通道并利用原子间结合力实现扩散连接的紧凑型板式换热器,在浮式天然气、海上油气加工、太阳能热电、高温反应堆中间冷却器领域均有广阔的应用前景。目前针对PCHE内流动与换热特性的研究局限于:研究结构参数和运行参数对超临界二氧化碳、氦气在PCHE内流动与换热评价指标(范宁因子和努塞尔数)的影响规律,对流动与换热特性影响的机理研究并不深入。此外,对于甲烷、甲烷/乙烷混合物在半圆形截面Zigzag通道内流动与换热基础性问题的研究及准则式的开发国际上依然处于起步阶段。因此,本文以甲烷、甲烷/乙烷混合物为流动工质,探讨结构参数和运行参数对PCHE内流动与换热特性的影响机理,开发适用于甲烷、甲烷/乙烷混合物在半圆形截面Zigzag型PCHE内的流动与换热准则式。首先,本文基于FLUENT平台的SST k-ω湍流模型确定了三维湍流稳态数值计算方法,验证了其可靠性,并从流体热量输运能力、粘性耗散速率、旋涡发生显著程度及流体边界层的角度探讨了结构参数对流动与换热特性的影响机理。结果表明,在本文研究范围内,小通道直径、小节距、大折转角工况下的流动性能较差,但换热性能较好,耦合考虑其流动和换热特性进行优化分析,确定了本文研究范围内的最优通道直径为1.51mm、最优节距为20.0mm、最优折转角为15°。其次,基于最优的Zigzag通道结构,从湍流核心区高速成分、流动分离显著程度、能量输运及耗散速率等角度,探究了运行参数对甲烷、甲烷/乙烷混合物在半圆形截面Zigzag通道内流动与换热特性的影响机理。结果表明,高质量流率、高入口温度工况的流动性能较差,但换热性能较佳,高出口压力工况的流动与换热性能均较佳;此外,构建了不同参数工况下的数值模拟结果数据库。最后,对文献中现有的半圆形截面Zigzag型PCHE内超临界二氧化碳的流动与换热准则式,用于预测甲烷、甲烷/乙烷混合物流动与换热特性的适用性作了分析。适用性分析结果表明,文献中现有的流动与换热准则式对甲烷、甲烷/乙烷混合物均不适用,故基于数值模拟数据库开发了对甲烷、甲烷/乙烷混合物通用的流动与换热准则式,准则式得出的努塞尔数、范宁因子与数值模拟结果间的最大相对误差均控制在±2%以内,具备较高预测精度。
【图文】：

图 1-1 PCHE 示意图：(a)整装图；(b)流道示意图；(c)横截面示意图[17]1.2.1 PCHE 的结构形式从整体角度来看，PCHE 是通过化学蚀刻的方法刻制出半圆形截面的微通道，然后在上下两板间施加一定的压力，利用原子之间的结合力实现扩散连接，其加工流程示意图如图 1-2 所示；局部角度看，PCHE 的加工制造过程如下：（1）采用化学蚀刻的方法在换热板上蚀刻出换热微细通道；（2）将流道蚀刻完成的换热板根据流体的性质，冷热相间堆置起来准备后续的原子扩散连接工序；

图 1-1 PCHE 示意图：(a)整装图；(b)流道示意图；(c)横截面示意图[17].2.1 PCHE 的结构形式从整体角度来看，，PCHE 是通过化学蚀刻的方法刻制出半圆形截面的微通后在上下两板间施加一定的压力，利用原子之间的结合力实现扩散连接，其流程示意图如图 1-2 所示；局部角度看，PCHE 的加工制造过程如下：（1）采用化学蚀刻的方法在换热板上蚀刻出换热微细通道；（2）将流道蚀刻完成的换热板根据流体的性质，冷热相间堆置起来准备后原子扩散连接工序；
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TK172

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 常海萍，黄太平，陈万兵;涡轮叶片与轮盘间枞树型榫头间隙中的流动与换热特性试验研究[J];TRANSACTIONS OF NANJING UNIVERSITY OF AERONAUTICS & ASTRONAUTICS;1995年01期

2 邱绪光 ,康滢;短距冲击流动下的流型及换热[J];航空动力学报;1989年04期

3 刘德昌,杨和平,王永亮,林志杰,刘焕彩;宽筛分床料循环流化床与水平管之间的换热特性研究[J];华中理工大学学报;1989年06期

4 李宇明;;空气流经光滑平行平板通道的换热特性[J];沈阳建筑工程学院学报;1989年04期

5 常海萍 ,黄太平 ,杨燕生;复杂非圆管流动与换热特性实验研究[J];航空动力学报;1993年04期

6 张卢腾;张亚培;周瑜琨;田文喜;秋穗正;苏光辉;马卫民;赵博;元一单;;硬壳对熔融池换热特性影响试验研究[J];原子能科学技术;2016年06期

7 牛广林;阎昌琪;孟兆明;石帅;;滑油冷却器在不同布置方式下换热特性的实验研究[J];原子能科学技术;2012年01期

8 李锋平;刘金祥;陈晓春;徐稳龙;;空气处理设备动态换热特性分析[J];流体机械;2011年01期

9 张大林,常海萍,韩东,盛荣昌,张大林;有初始横流的冲击壁面强化的换热特性实验研究[J];航空动力学报;1996年03期

10 吴斌;吴凯;;油浸式变压器用风冷却器换热特性数值模拟[J];变压器;2014年03期

相关会议论文 前10条

1 马旭;谢光华;张添翼;汤华;;旋转U型通道内超临界流体流动换热特性及影响分析[A];探索 创新 交流（第7集）——第七届中国航空学会青年科技论坛文集（上册）[C];2016年

2 郑帅;张若凌;;加热圆管内正十烷的对流换热特性研究[A];第九届全国流体力学学术会议论文摘要集[C];2016年

3 张书斌;张卉;卢明涛;;带肋通道中空气冷却换热特性研究[A];高等教育学会工程热物理专业委员会第二十一届全国学术会议论文集——传热传质学专辑[C];2015年

4 张书斌;卢明涛;杨历;;带肋通道中空气冷却换热特性研究[A];高等学校工程热物理第二十届全国学术会议论文集——传热传质学专辑[C];2014年

5 魏文建;李华;;点波板式换热器流动换热特性研究[A];走中国创造之路——2011中国制冷学会学术年会论文集[C];2011年

6 张井志;田茂诚;张冠敏;冷学礼;;单边流板式换热器流动换热特性[A];第十一届全国水动力学学术会议暨第二十四届全国水动力学研讨会并周培源诞辰110周年纪念大会文集（下册）[C];2012年

7 邓杰;余南阳;;平直翅片流道与波纹翅片流道换热特性计算比较[A];2007年西南地区暖通空调及热能动力学术年会论文集[C];2007年

8 丁海燕;刘继平;邢秦安;严俊杰;;项部通道对翅片组换热特性的影响[A];2006年石油和化工行业节能技术研讨会会议论文集[C];2006年

9 陶家琪;熊珍琴;蒋兴;顾汉洋;谢永诚;;非能动余热排出热交换器瞬态换热特性实验研究[A];第十五届全国反应堆热工流体学术会议暨中核核反应堆热工水力技术重点实验室学术年会论文集[C];2017年

10 叶会文;王令;刘东;;基于阶梯等效比热容的潜热型功能热流体换热特性研究[A];2015年第十六届西南地区暖通热能动力及空调制冷学术年会论文集[C];2015年

相关博士学位论文 前10条

1 李鑫郡;通道流中压电风扇激励的对流换热特性研究[D];南京航空航天大学;2018年

2 杜东兴;可压缩性及粗糙度对微细管内流动及换热特性的影响[D];清华大学;2000年

3 A.A.穆弗达赫;核反应堆流动及换热特性研究[D];浙江大学;1998年

4 熊钧;HCFC123高温工况下水平管外冷凝换热特性研究[D];哈尔滨工业大学;2006年

5 孙多斌;供暖空调管网流体输配与换热特性的研究[D];大连理工大学;2007年

6 路广遥;管束通道内单相及两相沸腾换热特性及流动特性的研究[D];上海交通大学;2008年

7 刘志斌;污水源热泵系统取水换热工艺中污水流动与换热特性研究[D];大连理工大学;2014年

8 宿艳彩;弹性管束流体诱导振动及换热特性研究[D];山东大学;2012年

9 韩勇军;鱼雷壳体冷凝器换热特性研究[D];中国舰船研究院;2017年

10 郭聪;被动式冷却系统中的流动冷凝及其对系统换热特性的影响[D];中国科学院研究生院(工程热物理研究所);2015年

相关硕士学位论文 前10条

1 张扬;涡轮叶片蜿蜒通道整流减阻机制及换热特性研究[D];南京航空航天大学;2019年

2 高宇;火焰筒壁层板冷却结构内部流动与换热特性研究[D];南京航空航天大学;2019年

3 黄长烨;半圆形截面Zigzag通道内烃类介质流动与换热特性数值模拟研究[D];哈尔滨工业大学;2019年

4 汤寿超;直通道PCHE内超临界流体流动与传热特性数值模拟研究[D];哈尔滨工业大学;2019年

5 周云;涡轮动叶内部交叉肋结构的流动换热特性研究[D];哈尔滨工程大学;2019年

6 宋晓轶;兰炭炉内气固换热特性的研究[D];山东理工大学;2018年

7 贾宇豪;闭式热源塔冬季动态换热特性分析[D];湖南大学;2018年

8 董春阳;基于地源热泵管群温度场的换热特性研究[D];重庆交通大学;2017年

9 侯轶;二氧化碳动力循环性能理论分析与换热特性实验研究[D];华北电力大学;2018年

10 王博滟;瓣型喷嘴射流冲击换热特性研究[D];南京航空航天大学;2018年

本文编号：2643639