内凸式螺纹管管程流动与传热过程数值模拟研究与熵产特性分析

发布时间：2017-08-31 20:15

  本文关键词：内凸式螺纹管管程流动与传热过程数值模拟研究与熵产特性分析

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【摘要】：能源紧缺已成为当今全世界必须面对的严峻挑战,其主要根源在于能源资源的不合理低效利用造成了巨大的能源浪费。为了提高能源利用率,降低生产成本,同时减少对生态环境的污染,开发新型高效清洁的换热器已成为强化换热技术中的一个重要研究方向。本文以提高换热器的强化换热性能为目标,采用数值模拟方法研究了内凸式螺纹管的流动与传热特性及熵产特性,主要进行了如下研究:(1)采用数值模拟方法研究了入口雷诺数Re、螺纹深度H和螺纹间距P对内凸式螺纹管管程流动与传热特性的影响规律。发现传热性能随着P的增大而降低,在低Re区域随着Re和H的增大而提高,在高Re区域则相反;阻力性能随着Re和H的增大而下降,随着P的增大而上升;综合传热性能在低Re区域随着Re和H的增大而上升,随P的增大而降低,在低Re则情况相反。(2)研究管程局部流动与传热特性的空间分布规律,揭示了螺纹结构强化换热的机理。结果表明,内凸式螺纹管的螺纹结构会扰动和破坏管程的速度边界层和温度边界层,加剧流体湍动程度,增强流体掺混能力和热扩散能力,从而实现强化换热的目的。(3)对比研究了内凸式螺纹管和内凸式波节管管程的流动与传热特性,结果表明这两种管型具有相近的换热性能,但内凸式螺纹管具有更优异的阻力性能,因而也具有更佳的综合传热性能。在此基础上,对内凸式螺纹管与波节管的流动与传热机理进行了对比分析,结果表明波节管对管程流体的扰动仅局限于间断的波节区域,而螺纹管对流体的扰动和破坏则跟随螺纹结构的旋进而贯穿整个流域。因此,内凸式螺纹管具有更优的流动与传热性能。(4)通过编写用户自定义函数(UDF),研究了内凸式螺纹管管程流动与传热过程的熵产特性,分析了不可逆损失的产生机理。结果表明,管程总不可逆损失、传热过程不可逆损失和粘性耗散过程不可逆损失随着Re和H的增大而增大,随着P的增大而减小,传热不可逆损失份额的变化趋势则刚好相反。并且发现,H对不可逆性能的影响最大,Re次之,P最小。(5)研究了内凸式螺纹管和内凸式波节管管程不可逆性能的异同,发现二者的传热不可逆性能相当,而内凸式螺纹管具有更佳的粘性耗散不可逆性能。但由于二者的粘性耗散不可逆程度占总不可逆程度的比重均很小,因而二者的总不可逆性能相当。
【关键词】：内凸式螺纹管 强化传热 熵产特性
【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】：2016
【分类号】：TK124
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 物理名称及符号表8-10
• 第1章 绪论10-16
• 1.1 课题研究的背景及意义10
• 1.2 高效换热元件的研究现状10-13
• 1.3 流动传热过程熵产分析的研究现状13-15
• 1.4 本文的主要研究内容15-16
• 第2章 管内流动与传热的计算模型16-23
• 2.1 数值模型16-17
• 2.1.1 物理模型16
• 2.1.2 网格划分16
• 2.1.3 基本假设16-17
• 2.2 数学模型17-19
• 2.2.1 控制方程17
• 2.2.2 湍流模型17-19
• 2.2.3 计算方法19
• 2.3 模型验证19-22
• 2.3.1 经验公式19-20
• 2.3.2 网格无关性分析20-21
• 2.3.3 湍流模型验证21-22
• 2.4 本章小结22-23
• 第3章 内凸式螺纹管管程传热性能的数值模拟研究及机理分析23-77
• 3.1 内凸式螺纹管管程传热性能的计算模型23-26
• 3.1.1 物理模型23
• 3.1.2 网格划分23-25
• 3.1.3 边界条件设置25
• 3.1.4 评价指标25-26
• 3.2 内凸式螺纹管管程传热性能的数值模拟研究26-31
• 3.2.1 入口雷诺数(Re)的影响26-28
• 3.2.2 无量纲螺纹深度(H/D)的影响28-30
• 3.2.3 无量纲螺纹间距(P/D)的影响30-31
• 3.3 内凸式螺纹管管程流动与传热机理研究31-63
• 3.3.1 变量分布31-40
• 3.3.2 入口雷诺数(Re)的影响40-47
• 3.3.3 无量纲螺纹深度(H/D)的影响47-58
• 3.3.4 无量纲螺纹间距(P/D)的影响58-63
• 3.4 内凸式螺纹管与波节管管程流动传热性能对比分析63-76
• 3.4.1 流动与传热特性的对比研究63-65
• 3.4.2 流动与传热机理的对比分析65-76
• 3.5 本章小结76-77
• 第4章 内凸式螺纹管管程流动与传热过程熵产分析77-101
• 4.1 管程流动与传热过程的熵产计算模型77-79
• 4.1.1 局部熵产率77-78
• 4.1.2 整体熵产78
• 4.1.3 熵产数78-79
• 4.2 内凸式螺纹管管程熵产特性研究79-87
• 4.2.1 入口雷诺数(Re)的影响79-82
• 4.2.2 无量纲螺纹深度(H/D)的影响82-85
• 4.2.3 无量纲螺纹间距(P/D)的影响85-87
• 4.3 内凸式螺纹管管程熵产机理分析87-97
• 4.3.1 变量分布87-88
• 4.3.2 入口雷诺数(Re)的影响88-91
• 4.3.3 无量纲螺纹深度(H/D)的影响91-94
• 4.3.4 无量纲螺纹间距(P/D)的影响94-97
• 4.4 内凸式螺纹管与波节管管程熵产特性对比研究97-100
• 4.4.1 整体熵产特性对比研究97-98
• 4.4.2 局部熵产特性对比研究98-100
• 4.5 本章小结100-101
• 结论101-103
• 参考文献103-107
• 攻读学位期间发表的学术论文107-109
• 致谢109

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本文编号：767677