环形翅片管通道内流体流动与换热的数值研究

发布时间：2017-08-22 15:16

  本文关键词：环形翅片管通道内流体流动与换热的数值研究

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【摘要】：换热器作为一种重要的换热设备,对热力系统装置的经济性、可靠性和效率的影响较大。环形翅片管换热器以其热效率高、结构紧凑等优点被广泛应用于空调、电力、化工等行业,得到了很多专家和学者的关注。学者们研究的重点在增大换热的同时尽可能减小阻力损失,而研发高效、紧凑低阻的环形翅片管换热器,必须充分了解通道内部复杂流场和温度场细节,揭示流动特征,分析产生阻力损失以及强化换热的内在机理。因此,本文通过数值模拟获得环形翅片管管外流体流动的速度、温度、压力、翅片表面温度及局部努塞尔数分布,研究环形翅片管的形状因子、结构参数、以及流动参数对环形翅片管换热器换热及阻力损失、综合换热、翅片效率及散热量的影响。本文采用Fluent数值模拟软件,对环形翅片管管外翅片间空气的流动与换热进行三维数值研究。首先,在基管尺寸一定的条件下,对与圆翅片管(C_(ir))分别具有相同的最小截面积(A_(min))、翅片面积(A_(fin))、翅片当量直径(D_e)、翅片周长(P_(er))及翅化比(β)的椭圆翅片管通道内空气流动与换热进行数值研究,完成了椭圆翅片管和圆翅片管的换热性能、阻力系数、翅片效率以及散热量的对比分析。其次,当环形翅片面积一定时,研究翅片形状因子(SF=a/b)变化对环形翅片管管外翅片间空气速度和压力分布的影响。此外,当环形翅片和基管的尺寸都不变时,研究基管位置变化以及管束排列方式对换热、阻力、综合换热性能、翅片效率、散热量的影响,为环形翅片管的设计和选择提供重要的理论指导。研究表明:在所研究的6种环形翅片中,A_(min)型椭圆翅片管管后回流区最小,换热性能最好,适用于对换热要求较高的场合。A_(fin)、P_(er)、β3种型式的椭圆翅片管比圆翅片管(C_(ir))阻力系数更低,功耗更小,翅片效率更高。在其它结构参数均相同的情况下,随着SF增大,环形翅片管换热性能、阻力系数、综合换热性能均降低。入口风速一定时,存在最佳SF,使环形翅片效率达到最大值。其它形状参数不变时,随着基管向后偏置,翅片迎风面面积增加,背风面面积减小,受回流区的影响减小,综合换热性能逐渐提高,换热量增加;存在最佳基管偏置距离,使环形翅片效率达到最优。错排环翅片管束增加了换热器通道内流体的扰动,减小了管后回流区的影响;顺排环形翅片管管后形成的漩涡区较大,恶化翅片背风面及后排翅片管迎风面的传热。因此,错排环形翅片管束综合换热性能较好,但翅片效率相对较低。
【关键词】：环形翅片 数值模拟 换热 阻力系数
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK172
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 第一章 绪论11-19
• 1.1 课题研究背景及意义11-12
• 1.2 翅片管换热器国内外研究现状12-16
• 1.3 本文研究的主要内容16-19
• 第二章 计算流体力学（CFD）简述19-23
• 2.1 计算流体力学(CFD)简介19
• 2.2 计算流体力学(CFD)的优势19-20
• 2.3 计算流体力学问题的解决20-21
• 2.3.1 前处理20
• 2.3.2 求解20-21
• 2.3.3 后处理21
• 2.4 Fluent简介21-22
• 2.5 本章小结22-23
• 第三章 环形翅片管通道内空气流动与换热的数值研究23-45
• 3.1 物理模型23-25
• 3.2 网格生成25-27
• 3.3 基本假设与控制方程27-29
• 3.3.1 基本假设27
• 3.3.2 控制方程27-29
• 3.4 边界条件29
• 3.5 网格无关性验证29-30
• 3.6 算法验证30-33
• 3.6.1 几何模型30-31
• 3.6.2 尺寸参数及结果比较31-33
• 3.7 数据处理方法33-35
• 3.8 数值计算结果与分析35-40
• 3.8.1 环形翅片管换热及阻力特性的比较35-36
• 3.8.2 流道间距中截面流场及翅片表面局部努塞尔数分析36-39
• 3.8.3 综合换热性能分析39-40
• 3.9 环形翅片效率分析40-41
• 3.10 相同压降及相同泵功下6种环形翅片管模拟结果的对比41-43
• 3.11 本章小结43-45
• 第四章 翅片形状因子对空气侧换热及阻力性能的影响45-55
• 4.1 物理模型45-46
• 4.2 模型假设与控制方程46
• 4.3 数值计算结果与分析46-51
• 4.3.1 环形翅片管外空气侧温度场分析46-48
• 4.3.2 相邻翅片中心截面流场与压力分布48-50
• 4.3.3 综合换热性能分析50-51
• 4.4 环形翅片管换热器散热量分析51
• 4.5 环形翅片效率分析51-53
• 4.6 本章小结53-55
• 第五章 基管偏置对空气侧流动与换热的影响55-65
• 5.1 物理模型55-56
• 5.2 网格划分56
• 5.3 边界条件与物性参数56
• 5.4 基本假设与控制方程56
• 5.5 数值计算结果与可视化分析56-61
• 5.5.1 流道间距中截面温度分布56-58
• 5.5.2 翅片表面温度及努塞尔数分布58-60
• 5.5.3 基管偏置对于环形翅片管阻力系数的影响60-61
• 5.6 基管偏置对于环形翅片管综合换热性能的影响61
• 5.7 基管偏置对于环形翅片管环形翅片效率的影响61-62
• 5.8 基管偏置对于环形翅片管散热量的影响62-63
• 5.9 本章小结63-65
• 第六章 环形翅片管束管排方式对流体流动与换热性能的影响65-73
• 6.1 计算模型65
• 6.2 网格划分65-66
• 6.3 边界条件与收敛准则66
• 6.4 数值模拟计算分析66-70
• 6.4.1 错排、顺排环形翅片管换热及阻力性能分析66-68
• 6.4.2 管排方式对综合换热性能的影响68-69
• 6.4.3 错排和顺排圆翅片管翅片效率的比较69-70
• 6.4.4 管排方式不同时散热量的比较70
• 6.5 本章小结70-73
• 第七章 结论与展望73-75
• 7.1 主要结论73-74
• 7.2 对今后工作的展望74-75
• 参考文献75-79
• 致谢79-81
• 攻读学位期间发表的学术论文81

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