螺旋波节管管内外流体流动与传热的数值模拟

发布时间：2020-05-29 18:45

【摘要】：换热器作为热量交换的重要设备,在工业生产中占据重要地位,改善换热器结构、研究新型换热管对于节约能源、提高能源利用效率具有重要意义。螺旋波节管的螺旋凸起结构能够改变管侧流体与壳侧流体的流动与传热,具有合理结构参数的螺旋波节管能起到强化传热的目的。本文首先建立了光管、不同结构参数(螺旋凸起高度H、螺旋凸起间距P)的螺旋波节管和与螺旋波节管同参数的波节管的几何模型,对几何模型的流体区域和固体区域进行了网格划分,对螺旋波节管的网格进行网格无关性验证,确定了85.95万的网格数。将光管计算结果与经验关联式进行比较,选择RSM模型作为计算的湍流模型。然后根据建立的几何模型进行数值模拟,计算光管、螺旋波节管及波节管管内外流体的努塞尔数Nu和阻力因子f,并计算螺旋波节管和波节管管内外流体的综合传热因子η,比较螺旋波节管与光管在流动与传热特性方面的不同。结果表明,螺旋波节管管内外流体的传热性能和流动阻力均随着H的增大而增高,当P为20mm时,单独改变H,管内外流体的Nu、f最高分别比光管提高60.5%、152.9%及70.8%、256.7%;螺旋波节管管内外流体的传热性能和流动阻力均随着P的减小而增高,当H为1.5mm时,单独改变P,管内外流体的Nu、f最高分别比光管提高52.4%、128.3%及56.6%、124.5%。对具有相同H、P的波节管进行数值模拟,结果发现波节管管内外流体的传热性能与流动阻力均在一定程度上高于螺旋波节管。当Re_i高于7500时,螺旋波节管的管侧综合传热性能高于波节管,对于壳侧流体而言,其综合传热性能比螺旋波节管高2.3%至5.8%。最后分析螺旋波节管管侧和壳侧流体的速度分布、温度分布、压力分布和湍动能分布,并分析管侧流体、壳侧流体的速度场与温度梯度场的协同性,进一步研究了流体入口雷诺数(Re_i和Re_o)及螺旋波节管结构参数(P和H)对流体流动参数、传热参数的影响规律,揭示螺旋波节管强化传热的机理。
【图文】：

示意图,几何模型,管壁厚,管内径

哈尔滨工业大学工学硕士论文括管长 L=240mm、管壁厚 δ=2.5mm、直管段管内径 d半径 r=7.5mm、螺旋凸起外半径 R=7.5mm，变化的参螺旋凸起高度 H；波节管与螺旋波节管中的一支具有相管内径 D=40mm、管壁厚 δ=2.5mm。几何模型示意图如。

示意图,网格划分,示意图,网格

哈尔滨工业大学工学硕士论文2.2.2 网格划分本文使用的网格划分工具为 ANSYS ICEM CFD 15.0，采用结构化网格，网格分为四部分：管侧流体网格、管体网格、壳侧流体网格和壳体网格。由于流体存在粘性，，在换热管内、外壁面以及壳体内壁面上会形成边界层，需要对这三个壁面附近的流体网格进行加密，边界层第一层网格厚度为 0.04mm，之后网格径向厚度以1.3 的增长率增加。网格划分情况如图 2-2 所示。
【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】：2018
【分类号】：TK172

【参考文献】