内插扇形锥形片强化管的流动与传热数值模拟

发布时间：2017-10-04 20:47

  本文关键词：内插扇形锥形片强化管的流动与传热数值模拟

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【摘要】：节能已经变得越来越迫切和重要,社会的发展需要消耗更多的能源而能源的储存量又是有限的,这就需要在利用能源的过程中做到高效的使用才能尽量地延缓能源的短缺。研究新型的强化传热技术,开发高效的换热器能够为社会的发展做出重要的贡献,高效换热器能够在材耗一定的条件下实现最大的经济效益。能源的传递需要通过换热器来进行,管壳式换热器是应用比较普遍和典型的换热器,广泛地存在于石油、化工、能源、冶金、材料、航空航天、电子器件的冷却、核能的利用等领域,但一般管壳式换热器内的光滑换热管效率低下,很难满足各方面换热工艺要求,采用强化换热技术是现阶段实现高效节能的重要手段。传统的强化传热技术分为主动强化技术和被动强化技术,采取管内插入物是现今比较常见和实用的强化技术,在一些高粘度流体换热中大量使用。管内插入物使管内核心区域的流体受到扰动,从而与管壁附近流体进行置换,改变了管内流体的速度场和温度场的分布,加强了速度场和温度场的协同效果,从而得到高效低阻的传热性能。本文首先阐述了强化传热技术的强化机理和优势,介绍了管内插入物国内外研究现状,同时对场协同理论和CFD数值模拟在强化传热的应用进行概述,并对强化传热评价方法进行简单介绍。运用FLUENT软件对以空气为介质,在管内有间隔地插入多个扇形锥形片进行数值模拟,分析考察了不同结构参数的内插扇形锥形片强化管在湍流状态下的传热特性和流动特性。扇形锥形片强化管的传热特性和流动特性与扇形锥形片的张角、倾角a、扇形锥形片的间距s、扇形锥形片的叶片数n等因素有关。在数值模拟计算的过程中,选取了不同的片距、叶片数、倾角和张角组成不同的结构参数组合,并对不同的结构参数在5种雷诺数下进行了模拟;讨论了不同结构参数组合对努塞尔数Nu、流动阻力系数f、综合换热性能PEC的影响;利用场协同理论对分析强化管的整体场协同性,得到了平均协同角的大小。研究结果表明内插扇形锥形片能够显著强化换热,在Re为12000~36000的范围内,其PEC达到了1.26~2.07,当张角相同时,PEC值随着倾角的增加而减小,且当叶片数固定为四叶片时,换热性能中综合表现是张角30o最好、其次是45o,最小的是60o,叶片数时为2时PEC值最大,经过正交分析后得到了各指标的影响因素的主次顺序和最优值,最后综合分析得到了强化管最优的结构参数a=20o、40o、n=2、s=72mm。
【关键词】：扇形锥形片 强化传热 数值模拟 场协同
【学位授予单位】：湖南工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK124
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-8
• 符号说明8-12
• 第一章 绪论12-20
• 1.1 研究背景及意义12-13
• 1.2 强化传热技术的现状13-15
• 1.3 管内强化传热技术的研究现状15-18
• 1.3.1 管内插入物国内研究现状16-17
• 1.3.2 管内插入物国外研究现状17-18
• 1.4 本文研究内容18-20
• 第二章 管内单相对流强化传热理论和技术20-26
• 2.1 强化传热的方法20-22
• 2.1.1 强化传热的目的和途径20-21
• 2.1.2 强化传热技术的评价准则21-22
• 2.2 管内单相对流强化传热理论22-25
• 2.2.1 场协同理论22-24
• 2.2.2 最小熵产理论24-25
• 2.2.3 火积耗散理论25
• 2.2.4 核心流强化传热原理25
• 2.3 本章小结25-26
• 第三章 流动传热数值计算基本理论和方法26-32
• 3.1 流动传热控制守恒方程组26-28
• 3.1.1 湍流数值模拟方法26-28
• 3.1.2 压力速度耦合算法28
• 3.1.3 代数方程组的求解28
• 3.2 湍流的数学模型28-29
• 3.3 数值模拟软件——商业CFD软件29-31
• 3.4 本章小结31-32
• 第四章 物理模型及数值模型的建立32-37
• 4.1 问题的简化与假设32
• 4.2 几何模型的建立32-34
• 4.2.1 设计思路32-33
• 4.2.2 新型内插物的结构特征33
• 4.2.3 流固耦合传热33-34
• 4.3 网格划分34
• 4.4 物性条件的设置34-35
• 4.5 边界条件的设置35
• 4.6 求解模型的设置35
• 4.7 求解方法的设置35-36
• 4.8 本章小结36-37
• 第五章 内插扇形锥形片的模拟结果分析37-74
• 5.1 光管平均NU数仿真结果分析37-38
• 5.1.1 光管的计算关联式37
• 5.1.2 数值模拟结果与关联式结果对比分析37-38
• 5.2 光圆管流动与传热特性分析38-41
• 5.3 不同结构参数的扇形锥形片的数据结果分析41-54
• 5.3.1 数值模拟结果与实验结果的验证41-42
• 5.3.2 顺排和叉排结构参数性能比较42-43
• 5.3.3 Nu数的变化43-47
• 5.3.4 f数的变化47-51
• 5.3.5 PEC数的变化51-54
• 5.4 内插扇形锥形片的圆管的流动特性分析54-59
• 5.4.1 扇形锥形片结构中不同倾角时的流动特性55-58
• 5.4.2 扇形锥形片结构中不同叶片数时的流动特性58-59
• 5.5 内插扇形锥形片的圆管的传热特性分析59-62
• 5.5.1 扇形锥形片中不同倾角时的传热特性59-61
• 5.5.2 扇形锥形片结构中不同叶片数时的传热特性61-62
• 5.6 扇形锥形片的几何结构正交分析62-66
• 5.7 扇形锥形片几何结构优化66-70
• 5.8 场协同分析70-72
• 5.9 本章小结72-74
• 第六章 结论与展望74-76
• 6.1 结论74-75
• 6.2 展望75-76
• 参考文献76-80
• 攻读硕士学位期间发表的论文80-81
• 致谢81-82

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前6条

1 张晓屿;刘志春;刘伟;;内置螺旋片的强化传热管的数值模拟研究[J];工程热物理学报;2011年03期

2 张晓屿;刘志春;刘伟;;圆管内插入螺旋片状多孔介质的换热性能及场协同分析[J];工程热物理学报;2011年08期

3 张晓屿;刘志春;刘伟;周路遥;;圆管内插入多个螺旋片的传热与流动的数值模拟研究[J];工程热物理学报;2013年02期

4 徐志明;刘枫;朱宏娟;;内置螺旋线圈换热管换热分析及数值模拟[J];东北电力大学学报;2014年05期

5 刘伟;刘志春;黄素逸;;湍流换热的场物理量协同与传热强化分析[J];科学通报;2010年03期

6 刘伟;明廷臻;;管内核心流分层填充多孔介质的传热强化分析[J];中国电机工程学报;2008年32期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 黄志锋;在管内核心区插入多孔介质实现强化传热的实验与数值研究[D];华中科技大学;2010年

中国硕士学位论文全文数据库 前2条

1 邓俊杰;管内对流换热强化的数值模拟[D];华中科技大学;2011年

2 贺士晶;单相对流强化换热的实验研究[D];哈尔滨工程大学;2008年

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本文编号：972788