机载多股流板翅式换热器性能研究

发布时间：2017-10-28 06:25

  本文关键词：机载多股流板翅式换热器性能研究

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【摘要】：为满足机载设备需冷量不断增大的要求,高效、紧凑的多股流板翅式换热器成为发展趋势。多股流板翅式换热器通道结构复杂,任一通道流体温度变化受众多因素制约,在一定条件下会发生翅片旁通效应、温度交叉和热量内耗现象,另外,机载环境下冲压空气与其它流体的交叉流动以及流体相变流动均会导致其传热机理更加复杂。本文针对交叉式多股流板翅式换热器精确数值计算方法和结构优化设计等方面展开研究。具体工作内容如下:(1)多股流板翅式换热器数值计算方法研究采用有限容积法,将换热器划分为W×L个子单元换热器,首次提出将子单元换热器尺寸与翅片间距、子单元换热器通道间横向能量传递与流体间流动方式相互独立的处理方式建立交叉式多股流板翅式换热器数学模型,并通过VC++语言编制程序实现数值计算;另外,针对周期性通道排列多股流板翅式换热器,根据一个周期内换热器上下隔板热流量相等的特点,构建了一个周期内封闭的控制方程组,减小了周期性通道排列多股流板翅式换热器计算工作量;考虑到翅片表面特性对数值计算方法准确性的影响,基于国外权威翅片特性实验数据的误差分析,对特定翅片结构型式选取了最佳的实验关联式。(2)机载三股流板翅式换热器性能分析基于多股流板翅式换热器数值计算方法,研究了两种通道排列方式下机载交叉式三股流板翅式冷凝器各股流体温度场、翅片温度分布特性;分析了目标流体能量分配与最大换热量之间关系;认为相变多股流板翅式换热器换热时由于相变流体热容流大,相变对流表面换热系数高,会扼制单相热流体换热;不同通道排列方式下传热面积利用率不同,在相同温差驱动力下,将传热面积分配给热容流大且对流表面换热系数高的流体,传热面积利用率更高,换热量也越大;另外,对现有结构型式的换热器结构优化设计发现:将同一流体复叠布置的通道当做一个通道,热流体设计热负荷比例与通道分配比例接近时,更有利于换热器实际运行趋于设计工况。(3)机载三股流板翅式换热器性能试验研究在热动力试验台和蒸发制冷循环试验台上对无相变和相变流体在交叉式多股流板翅式换热器换热特性进行了试验研究,对多股流换热器的数值计算方法准确性进行了试验验证;以试验用三股流板翅式换热器为例,对忽略同一层流体横向传热的可行性和子单元换热器尺寸的选取做了分析,认为从对流体出口温度预测角度考虑,换热器网格划分过密对数值计算结果影响不大,但是过密的网格划分必然导致计算效率的降低;通过交叉式三股流板翅式换热器试验与数值计算结果对比,证明数值计算方法能够满足机载条件高精度计算需求,同时发现流体在换热器芯体内流量分配不均匀、相变流体的对流表面换热系数公式选取对数值计算精度有较大影响。(4)流量分配特性对换热性能的影响研究通过Fluent软件对板翅式换热器封头和单通道结构分别建立模型,研究了流体在通道和封头结构内流量分配特性,认为封头结构和导流片布置决定了流体在通道间和单通道内的流量分配趋势,流体质量流量、通道阻力等会影响流量分配不均匀度;首次以CFD数值模拟结果为基础建立了特定结构形式下换热器流量分配模型,并通过换热器计算程序研究了流量分配不均匀对换热器换热性能的影响,发现:在流体不同的入口参数以及物性参数条件下,流量分配不均匀对换热器换热性能影响不同,不同的热流体换热性能可能提升或下降;换热器通道的阻力特性影响流量分配不均匀性,阻力越小,通道间流量分配越不均匀,甚至导致各股流体的换热性能均下降。(5)多股流板翅式换热器通道排列评价方法研究总结了多股流板翅式换热器通道排列评价方法,在定负荷且各流体通道负荷平均分配下,基于累积热负荷均方差评价通道排列方式的合理性进行了验证;在变负荷且考虑换热器通道间横向传热机理基础上,对累积热负荷均方差无量纲化,改进了温差均匀性因子表达式,并在变通道排列方式、变流体入口参数和变流体流动方式条件下以三股流板翅式冷凝器为例验证了各评价方法的适用性;在考虑换热器横向传热条件下,为减小采用优化算法优化通道排列方式时的计算工作量,本文首次提出了采用子单元换热器通道排列特性寻优通道排列方式的新方法,并在变流体流动方式、变入口参数和变流体物性条件下研究了子单元换热器入口参数选取方法。
【关键词】：交叉式多股流板翅式换热器 相变 有限容积法 流量分配特性 通道排列 累积热负荷 温差均匀性因子
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V245.3
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-21
• 第一章 绪论21-34
• 1.1 研究背景及意义21-22
• 1.2 板翅式换热器结构特点22
• 1.2.1 板翅式换热器结构组成22
• 1.2.2 板翅式换热器翅片形式22
• 1.3 板翅式换热器的发展22-23
• 1.4 多股流板翅式换热器新特点23-25
• 1.4.1 翅片旁通效应23-24
• 1.4.2 温度交叉现象24
• 1.4.3 热量内耗现象24-25
• 1.5 国内外研究现状25-32
• 1.5.1 多股流换热器传热分析25-26
• 1.5.2 通道排列结构优化设计26-28
• 1.5.3 封头和导流片结构优化设计28-29
• 1.5.4 换热器传热强化评价方法29-32
• 1.6 本文研究内容32-34
• 第二章 多股流板翅式换热器计算方法研究34-60
• 2.1 数学建模34-50
• 2.1.1 横向传热机理34-40
• 2.1.2 纵向传热机理40-41
• 2.1.3 数学模型总述41-43
• 2.1.4 数值计算方法43-44
• 2.1.5 周期性通道排列的处理方法44-46
• 2.1.6 翅片旁通效应判别条件46-47
• 2.1.7 流体混合平均温度计算47-50
• 2.2 翅片数据库50-58
• 2.2.1 无相变翅片特性50-57
• 2.2.2 两相流翅片特性57-58
• 2.3 本章小结58-60
• 第三章 机载三股流板翅式换热器性能分析60-74
• 3.1 三股流冷凝器结构和性能参数60-62
• 3.2 流体温度变化特性62-67
• 3.2.1 定温度下换热器传热和流动参数62-63
• 3.2.2 流体流动方向平均温度变化和总热负荷63-64
• 3.2.3 各通道流体出口平均温度与热负荷64-65
• 3.2.4 各股流体温度场65-67
• 3.3 翅片和隔板温度分布67-70
• 3.4 换热器结构优化设计70-72
• 3.4.1 同流体复叠布置70-71
• 3.4.2 不同热流体隔离布置71-72
• 3.5 本章小结72-74
• 第四章 三股流板翅式换热器性能试验研究74-92
• 4.1 基于热动力试验台试验验证74-84
• 4.1.1 热动力试验系统试验原理74-75
• 4.1.2 测量仪器说明与不确定度分析75-76
• 4.1.3 换热器结构参数76-77
• 4.1.4 试验流程77
• 4.1.5 数值计算相关设置77-80
• 4.1.6 数值计算与试验结果对比80-82
• 4.1.7 数值计算误差分析82-84
• 4.1.8 小结84
• 4.2 基于蒸发制冷循环试验台试验验证84-90
• 4.2.1 蒸发制冷循环试验系统试验原理84-85
• 4.2.2 测量仪器说明与不确定度分析85-86
• 4.2.3 试验流程与结果86-87
• 4.2.4 数值计算与试验结果对比87-90
• 4.3 本章小结90-92
• 第五章 流量分配特性对换热性能影响研究92-110
• 5.1 流量分配不均匀影响因素分析92
• 5.2 换热器内部流场FLUENT数值模拟92-96
• 5.2.1 换热器内部流场数学描述93-96
• 5.2.2 FLUENT数值模拟相关设置96
• 5.3 单通道内流体流量分配特性分析96-100
• 5.3.1 不同流量下流体流量分配特性97-99
• 5.3.2 不同芯体长度流量分配特性99-100
• 5.4 封头结构内流体流量分配特性分析100-102
• 5.4.1 不同流量下流体流量分配特性101-102
• 5.4.2 不同流动阻力流体流量分配特性102
• 5.5 流体流量分配不均匀对换热性能影响102-109
• 5.5.1 换热器流量分配模型建立方法102-103
• 5.5.2 流量分配不均匀对温度场影响103-106
• 5.5.3 数值计算与试验数据对比106
• 5.5.4 流体参数和芯体阻力对换热性能的影响106-109
• 5.6 本章小结109-110
• 第六章 通道排列评价方法研究110-130
• 6.1 通道排列评价方法110-112
• 6.1.1 隔离型通道排列110
• 6.1.2 局部热负荷平衡型通道排列110-111
• 6.1.3 等壁温型通道排列111
• 6.1.4 场协同原则指导通道排列111-112
• 6.2 累积热负荷均方差原理的合理性验证112-114
• 6.3 通道排列评价指标对比114-119
• 6.3.1 不同通道排列115-116
• 6.3.2 不同入口参数116-117
• 6.3.3 不同流体组织方式117-118
• 6.3.4 小结118-119
• 6.4 通道排列评价新方法119-129
• 6.4.1 顺流流动下不同通道排列方式换热特性119-120
• 6.4.2 逆流流动下不同通道排列方式换热特性120-123
• 6.4.3 子单元换热器入口流量对通道排列优化的影响123-124
• 6.4.4 子单元换热器入口温度对通道排列优化的影响124-126
• 6.4.5 流体物性参数变化对通道排列优化的影响126-128
• 6.4.6 小结128-129
• 6.5 本章小结129-130
• 第七章 结论与展望130-133
• 7.1 本文的研究结论130-131
• 7.2 本文创新点131-132
• 7.3 后续工作及展望132-133
• 参考文献133-141
• 致谢141-142
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文142-143

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本文编号：1107034