螺旋管内二次流强化传热特性模拟研究
发布时间：2021-03-25 02:22
绕管换热器在工业生产中应用广泛,是热量交换的重要设备。螺旋管作为绕管换热器的基本传热元件,其强化传热性能对工业过程的节能降耗至关重要。在螺旋管中二次流是一种常见的流动状态,二次流强化传热技术已经得到初步的研究与应用。为了更好地应用二次流强化螺旋管内对流换热,本文通过分析螺旋管内二次流流型、二次流强度与对流换热强度之间的关系,提出了螺旋管内二次流强化换热技术的具体方法。本文的主要研究内容及结果和结论如下:（1）对螺旋管内二次流流型流态变化规律进行了数值模拟研究。结果显示,螺旋管内二次流流型总体上呈现出对称的双涡旋结构。在一定范围内,涡旋大小随雷诺数的增大而增大,随螺距的增大而减小。但当雷诺数或螺距增大到一定程度,二次流双旋涡结构呈现出了不稳定性。两个涡旋中心连线与竖直方向的角度随着螺距的增大而增大。（2）为了更准确的定义螺旋管内二次流强度,探究螺旋管内二次流强化传热规律。分别针对普通螺旋管和复杂结构螺旋管,提出了管内二次流强度参数Ds数和二次流强度角β。Ds数和β越大,表明二次流强度越大。对螺旋管内二次流流型、二次流强度与对流换热强度进行了数值模拟研究。结果显示,在本文研究的螺旋管结构参...
【文章来源】：郑州大学河南省 211工程院校
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
方形截面弯管内二次流速度矢量图
1绪论5图1.6螺旋半圆管夹套内截面二次流流型邱立杰等[21]基于数值模拟的研究方法，利用Fluent软件中的RNGk-e湍流模型，对90°弯管内二次流现象进行了数值模拟，为弯管内二次流的进一步研究提供了依据。1.2.2二次流流型规律的研究现状（1）理论分析对于通道结构参数如何影响二次流流型流态这一问题，许多学者用理论推导的方法进行了分析。章本照等[22]基于旋转螺旋直角坐标系，用张量分析的方法求解二次流问题的控制方程，以迪恩数为小参数采用摄动法获取了椭圆截面旋转管道内的粘性流动摄动解，从理论推导的角度讨论了二次流形态随参数的变化。张金锁等[23]采用理论分析的方法，基于曲线柱坐标系，用曲率和挠率作为小参数，求解了环形截面螺旋管道内粘性流动的完全二阶摄动解。分析结果表明在挠率为零时，截面上二次流表现出了四涡结构，当挠率不为零时，二次涡的对称性收到了破坏，涡强和涡的个数会受到迪恩数和几何参数的影响。章本照等[24]采用理论分析的方法，基于曲线直角坐标系，从N-S方程出发，采用摄动法求解了椭圆形截面螺旋管道内的粘性流动。分析结果表明二次流的流型收到一阶挠率的影响，当轴向梯度压力增大时，二次流动受曲率的影响也逐渐增大。Nobari等[25]引入科氏力分析了轻微弯曲的弯管内的二次流双旋涡结构与四旋涡结构，分析结果表明二次流双旋涡结构具有更高的的稳定性，且这一结论在工质进口雷诺数变化较大范围内均具有适用性。Soeberg[26]基于二次流场的对称性，针对绝热不可压缩牛顿流体，进一步研
2螺旋管内二次流强度评价参数的提出132螺旋管内二次流强度评价参数的提出绪论中已经介绍了现有的几种二次流强度参数，这些强度参数应用的情形各不相同。本章首先通过理论分析螺旋管内二次流的形成原因，明确螺旋管内二次流强度大小的主要影响因素；拟提出Ds数作为螺旋管内二次流强度的度量标准；针对异型截面螺旋管或者内插扰流物螺旋管，提出以二次流强度角β作为二次流强度相对大小的度量标准。2.1螺旋管内二次流形成机理分析2.1.1流体微元受离心力的分布本节从离心力和压力梯度两个角度出发，探讨螺旋管内二次流的生成原因。取螺旋管的一小段微元d，如图2.1所示，在圆管轴线处，对于半径为r，长度为l的圆柱体微元，针对理想牛顿流体做如下假设：（1）忽略重力的作用；（2）流体为不可压缩粘性流体；（3）流体做定常层流流动。图2.1螺旋管内流体微元段沿主流方向受力示意图该微元沿主流方向上的受力为：在前后端面受到两个不同的压力P1和P2，在侧面有粘性造成的切应力τ，根据定常流动受力平衡，有：rrlrPP22221（2.1）其中，粘性切应力可由牛顿粘度方程表示，切应力τ为drdu（2.2）式中μ为流体粘度，u为主流轴向速度。
本文编号：3098838
【文章来源】：郑州大学河南省 211工程院校
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
方形截面弯管内二次流速度矢量图
1绪论5图1.6螺旋半圆管夹套内截面二次流流型邱立杰等[21]基于数值模拟的研究方法，利用Fluent软件中的RNGk-e湍流模型，对90°弯管内二次流现象进行了数值模拟，为弯管内二次流的进一步研究提供了依据。1.2.2二次流流型规律的研究现状（1）理论分析对于通道结构参数如何影响二次流流型流态这一问题，许多学者用理论推导的方法进行了分析。章本照等[22]基于旋转螺旋直角坐标系，用张量分析的方法求解二次流问题的控制方程，以迪恩数为小参数采用摄动法获取了椭圆截面旋转管道内的粘性流动摄动解，从理论推导的角度讨论了二次流形态随参数的变化。张金锁等[23]采用理论分析的方法，基于曲线柱坐标系，用曲率和挠率作为小参数，求解了环形截面螺旋管道内粘性流动的完全二阶摄动解。分析结果表明在挠率为零时，截面上二次流表现出了四涡结构，当挠率不为零时，二次涡的对称性收到了破坏，涡强和涡的个数会受到迪恩数和几何参数的影响。章本照等[24]采用理论分析的方法，基于曲线直角坐标系，从N-S方程出发，采用摄动法求解了椭圆形截面螺旋管道内的粘性流动。分析结果表明二次流的流型收到一阶挠率的影响，当轴向梯度压力增大时，二次流动受曲率的影响也逐渐增大。Nobari等[25]引入科氏力分析了轻微弯曲的弯管内的二次流双旋涡结构与四旋涡结构，分析结果表明二次流双旋涡结构具有更高的的稳定性，且这一结论在工质进口雷诺数变化较大范围内均具有适用性。Soeberg[26]基于二次流场的对称性，针对绝热不可压缩牛顿流体，进一步研
2螺旋管内二次流强度评价参数的提出132螺旋管内二次流强度评价参数的提出绪论中已经介绍了现有的几种二次流强度参数，这些强度参数应用的情形各不相同。本章首先通过理论分析螺旋管内二次流的形成原因，明确螺旋管内二次流强度大小的主要影响因素；拟提出Ds数作为螺旋管内二次流强度的度量标准；针对异型截面螺旋管或者内插扰流物螺旋管，提出以二次流强度角β作为二次流强度相对大小的度量标准。2.1螺旋管内二次流形成机理分析2.1.1流体微元受离心力的分布本节从离心力和压力梯度两个角度出发，探讨螺旋管内二次流的生成原因。取螺旋管的一小段微元d，如图2.1所示，在圆管轴线处，对于半径为r，长度为l的圆柱体微元，针对理想牛顿流体做如下假设：（1）忽略重力的作用；（2）流体为不可压缩粘性流体；（3）流体做定常层流流动。图2.1螺旋管内流体微元段沿主流方向受力示意图该微元沿主流方向上的受力为：在前后端面受到两个不同的压力P1和P2，在侧面有粘性造成的切应力τ，根据定常流动受力平衡，有：rrlrPP22221（2.1）其中，粘性切应力可由牛顿粘度方程表示，切应力τ为drdu（2.2）式中μ为流体粘度，u为主流轴向速度。
本文编号：3098838
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