翼片诱导管内纵向涡流动机理及强化传热特性研究

发布时间：2017-10-05 00:37

  本文关键词：翼片诱导管内纵向涡流动机理及强化传热特性研究

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【摘要】：单相对流传热是换热器中最常见的热量传递过程,高效换热管件的应用可有效提高传热效率、节约能源,同时有助于设备的紧凑化设计,因而提高管内的传热性能具有重要的研究意义。本文针对低Re数对流传热的特点,提出采用翼片诱导纵向涡的方式强化管内对流传热,并利用数值模拟和实验对其扰流机理和强化传热特性进行了深入的研究。当管内Re数较低时,对流传热热阻不仅存在于壁面附近,还存在于主流区。基于此,设计了适合圆管的矩形、梯形和三角形3种形式的翼片结构,通过对其扰流流场和传热性能分析,可以得出：相较于矩形翼片和三角形翼片,梯形翼片因其“上窄下宽”的特点,既能够有效诱导边界层流体扰动,又能强化主流区流体混合,同时不会产生过大的流动阻力,因而在研究工况范围内,表现出较好的综合传热性能。模拟发现,梯形翼片能够有效诱导后方流体产生纵向涡结构,提高了垂直于流动方向上的速度分量,横截面内的横向速度最高可达主流平均速度的60%。流经通道中部翼片上边缘处的主流流体被引导至壁面附近,可实现壁面附近高温流体与主流区低温流体间直接的质量和热量交换；同时纵向涡沿壁面发展有效减薄了热边界层,增大了壁面附近的温度梯度。在上述两种机制的共同作用下,管内流体温度分布的均匀性得到较大改善,壁面局部Nu数显著提升,最大可达光滑管的10倍,在500Re2500范围内,管内平均Nu数提高了0.5-3倍。为得到不同工况下综合传热性能最优对应的翼片参数组合,利用三维数值模拟对翼片间距、与壁面夹角、沿周向布置个数等方面进行了优化研究,并对其各自的流动与传热机理进行了深入分析。结果发现：1)随着翼片间距S减小,Nu/Nu0值增加,流动阻力增大。在Re2000时翼片诱导产生的纵向涡持续距离较长,适当增大翼片间距综合传热性能较好；在Re6000时纵向涡的耗散作用增强,适当减小翼片间距综合传热性能较好；2)Nu数和阻力系数均随翼片与壁面夹角α的增大而增加,且翼片迎流放置对管内Nu数的提升更为显著,在500Re7000范围内,内置迎流翼片管内PEC值均在1.2以上,最高可达1.6；3)沿周向适当增加翼片布置的个数n,可在横截面内形成更为紧凑、密集的涡流,增大参与扰动的流体所占的比例,有利于强化传热。在研究范围内,当500Re5000时,翼片个数增多会提高管内的PEC值；在Re6000时,由于翼片增多引起的流动阻力增大,因而翼片个数对综合传热性能的改善效果不大。利用粒子成像测速技术(PIV)对圆管内置梯形翼片后的扰流流场进行了测量。实验结果表明：翼片迎流放置时,涡偶内侧为向壁流动,沿周向延展范围较广,在翼片下游持续距离较长；翼片顺流放置时,涡偶内侧为背壁流动,沿径向延展距离较长,在距离翼片后方较近位置处扰流效果最好。截面内横向速度最大值分别出现在涡偶的向壁流区和背壁流区,径向速度分量最大值位于相邻旋涡中间位置。在500Re13000范围内,翼片后方10mm处的横向速度最大可达主流均速的27%以上,径向速度可达主流均速的20%,有利于主流流体和壁面附近流体的质量交换。通过研究还发现,Re数较高时,翼片迎流放置产生的纵向涡相对于翼片顺流放置时具有更高的强度和更好的持续性。搭建了管内以水为工质的传热与流动测试实验台,对顺、迎流翼片组不同间距下对应的管内传热和阻力特性进行了研究。结果表明：在研究工况范围内,管内放置迎、顺流翼片后传热性能相对于光滑管分别提高了70%-175%和60%-130%。翼片组间距较小强化传热效果较好,间距S=2.5对应的PEC值比间距S=5提高了10%-18.7%。管内综合传热性能随Re数增长呈现先升后降的趋势,迎流翼片组PEC最大值对应的Re数随间距减小而减小,但大致均在2000-4000之间,而各间距下的顺流翼片组PEC最大值在Re=2000附近。在研究的参数范围内,对于迎、顺流翼片组,PEC值高于1.4对应的范围分别为1500Re8000和1500Re6000。由此可见,管内置梯形翼片后对中、低Re数范围的流体产生较好的综合传热性能。搭建了管内以空气为工质的传热与流动测试实验台,研究了翼片组的间距、顺迎流放置和排列方式对管内空气对流传热特性和阻力特性的影响。对比发现：在实验工况范围内,迎流翼片组对管内Nu数的提升效果显著,Nu/Nu0值均在1.42-1.78之间,间距较大(S=10和7.5)时,PEC值随Re数呈现先增后降的趋势,最高接近1.25；间距较小(S=2.5和5)时,低Re数下管内PEC值较低,但随着Re数增加PEC值逐渐提升,且在Re1 500时增长速率较快。对于顺流翼片组,当Re数较低时,综合传热性能较好,PEC最大值均出现在1500Re2000范围内；当Re2000后,各间距对应的PEC值均呈现不同程度的下降趋势,由此说明顺流翼片组适合低Re数下的强化传热。此外,在间距S=7.5时,对管内翼片组顺流顺排、顺流错排、迎流顺排、迎流错排及交叉排5种排列方式进行对比,发现在实验工况下迎流顺排翼片组均具有较好的综合传热性能。最后,对实验结果进行拟合,得到了包含翼片组不同参数在内的管内传热特性和阻力特性的准则方程,可以为该类强化传热元件的设计计算提供依据。
【关键词】：强化传热 纵向涡 梯形翼片 PIV 圆管
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK124
【目录】：

• 摘要13-16
• ABSTRACT16-21
• 主要项目符号表21-22
• 准则数22-23
• 第一章 绪论23-43
• 1.1 课题研究背景及意义23
• 1.2 强化传热技术概况23-26
• 1.3 纵向涡强化传热综述26-32
• 1.3.1 国外纵向涡强化传热技术研究发展历程及现状27-30
• 1.3.2 国内纵向涡强化传热技术研究发展历程及现状30-32
• 1.4 管程侧强化单相对流换热研究现状32-40
• 1.4.1 一次表面加工技术32-36
• 1.4.2 二次表面加工技术36-40
• 1.5 本文研究内容40-43
• 第二章 翼片诱导纵向涡强化传热数值模拟43-55
• 2.1 物理模型及网格划分43-46
• 2.1.1 物理模型43-44
• 2.1.2 网格划分策略44
• 2.1.3 数学模型44-45
• 2.1.4 参数定义45-46
• 2.2 模拟结果及数据分析46-54
• 2.2.1 速度场特性46-49
• 2.2.2 温度场特性49-51
• 2.2.3 壁面传热特性51-54
• 2.3 本章小结54-55
• 第三章 翼片结构优化数值研究55-85
• 3.1 翼片强化传热数值模拟55-60
• 3.1.1 网格独立性检验56
• 3.1.2 湍流模型选择56-59
• 3.1.3 参数定义59-60
• 3.2 翼片间距优化60-66
• 3.2.1 不同翼片间距对传热与流动阻力特性的影响60-63
• 3.2.2 不同翼片间距扰流机理分析63-66
• 3.3 翼片与流动方向夹角优化66-73
• 3.3.1 不同翼片角度对传热与流动阻力特性的影响67-69
• 3.3.2 不同翼片角度扰流机理分析69-73
• 3.4 翼片周向布置个数优化73-78
• 3.4.1 翼片周向布置个数对传热与流动阻力特性的影响73-75
• 3.4.2 不同翼片个数扰流机理分析75-78
• 3.5 翼片形状优化78-84
• 3.5.1 翼片形状对传热与流动阻力特性的影响78-80
• 3.5.2 不同翼片形状扰流机理分析80-84
• 3.6 本章小结84-85
• 第四章 梯形翼片扰流特性的PIV实验研究85-113
• 4.1 实验系统及装置85-88
• 4.1.1 水循环系统86-87
• 4.1.2 测试段87-88
• 4.2 PIV测试原理及实验步骤88-93
• 4.2.1 PIV测试原理88-89
• 4.2.2 实验步骤89-91
• 4.2.3 图像处理91-93
• 4.3 PIV实验结果及数据分析93-111
• 4.3.1 研究内容93
• 4.3.2 参数定义93
• 4.3.3 迎流翼片后方截面内速度场特性分析93-102
• 4.3.4 不同翼片扰流特性的对比分析102-111
• 4.4 本章小结111-113
• 第五章 翼片组对管内水流动与强化传热影响实验研究113-135
• 5.1 实验系统及装置113-119
• 5.1.1 供水系统114-115
• 5.1.2 加热系统115
• 5.1.3 实验段115-117
• 5.1.4 数据测量系统117-119
• 5.2 实验方案及数据处理119-121
• 5.2.1 实验方案119-120
• 5.2.2 管内对流传热系数120
• 5.2.3 流动阻力系数120-121
• 5.3 实验系统可靠性验证121-124
• 5.3.1 测量系统的标定121-123
• 5.3.2 测量误差分析123-124
• 5.4 实验结果与分析124-134
• 5.4.1 实验结果可靠性分析124-125
• 5.4.2 顺流翼片组不同间距对管内传热和流动阻力的影响125-128
• 5.4.3 迎流翼片组不同间距对管内传热和流动阻力的影响128-132
• 5.4.4 综合性能分析132-134
• 5.5 本章小结134-135
• 第六章 翼片组对管内空气扰流及强化传热影响实验研究135-159
• 6.1 实验系统及装置135-139
• 6.1.1 流速测量系统136-137
• 6.1.2 压差测量系统137-138
• 6.1.3 实验方案138-139
• 6.2 实验误差及可靠性验证139-142
• 6.2.1 传热系数可靠性分析139-140
• 6.2.2 进出口压降可靠性分析140-141
• 6.2.3 误差分析141-142
• 6.3 实验结果及数据分析142-153
• 6.3.1 翼片组间距和顺、迎流放置对传热及流动阻力的影响142-149
• 6.3.2 翼片组排列方式对传热和流动阻力的影响149-153
• 6.4 传热与阻力特性预测关联式153-158
• 6.4.1 传热特性预测关联式153-156
• 6.4.2 阻力特性预测关联式156-158
• 6.5 本章小结158-159
• 第七章 全文总结及展望159-163
• 7.1 全文总结159-162
• 7.2 本文主要创新点162
• 7.3 不足与展望162-163
• 参考文献163-173
• 致谢173-175
• 攻读学位期间发表的学术论文目录175-177
• 附件177-190
• 学位论文评阅及答辩情况表190

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 唐志伟;闫桂兰;高丽丽;;管内插入扭带的强化传热数值模拟[J];工程热物理学报;2008年07期

2 唐玉峰;田茂诚;张冠敏;刘建;陈宏瑜;;内置弹簧线圈平板通道流动传热实验研究[J];工程热物理学报;2010年11期

3 过增元;对流换热的物理机制及其控制:速度场与热流场的协同[J];科学通报;2000年19期

中国博士学位论文全文数据库 前2条

1 郭剑;管内强化换热的理论和实验研究[D];华中科技大学;2012年

2 游永华;管壳式换热器中单相流体强化传热的数值模拟和实验研究[D];华中科技大学;2013年

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本文编号：973814