内置开槽涡流发生器的管内流动及强化换热研究
发布时间：2021-11-28 15:01
随着国内外对节能要求不断提高,发展高效的热量传递方法成了研究重点。在传热表面加装涡流发生器作为一种常见的强化换热技术,利用涡流发生器在流道中诱导涡旋来破坏流动边界层,减小换热热阻,提高换热设备效率,因此获得了广泛的研究与应用。本文主要利用数值模拟方法对矩形槽道内加装不同开槽涡流发生器在稳态流动和脉动流动情况下的强化换热及流动阻力特性进行了分析,分析了开槽涡流发生器在不同流动状态下的强化换热机理。本文首先利用在矩形管道中梯形涡流发生器流场信息并结合强化换热光管拟合公式验证计算网格和数值模拟模型,对所使用边界条件及湍流模型进行了验证。利用数值模拟对矩形通道内分别加装开槽、凸型、梯形以及开孔涡流发生器四种情况进行了流动和换热分析,分析了流动速度、温度分布、涡核结构无量纲涡强度及努塞尔数Nu和摩擦因子f,发现开槽涡流发生器在提高最大的管内换热能力的同时还能在一定程度上减小流动阻力损失,增强换热效率,较少能量消耗。其次,本文研究了改变开槽涡流发生器结构对强化换热及流阻特性影响进行分析,计算了在不同进口雷诺数下不同开槽涡流发生器宽度和高度的特性（5个进口雷诺数,5组开槽宽度,13组开槽高度,共计3...
【文章来源】：中国矿业大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：97 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１不同类型换热器??Ｆｉｇｕｒｅ?１－１?Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ?ｔｙｐｅｓ?ｏｆ?ｈｅａｔ?ｅｘｃｈａｎｇｅｒ??
?１绪论???能涡旋单元，也被称为髙性能静态混合器。这是一种加工方便，高效率的涡流发??生器，广泛用于化工及能源领域。这种梯形片能够通过扰动流场，改变其流动特??征产生发卡涡和流向涡［５８］，产生的涡旋结构能够提升整个管道中的湍动能以及??湍动能耗散率，达到破坏和减薄边界层的Ｂ的，如图１－２［５９］所示。ｉｆ其他工业静??态混合器相比，高性能涡旋静态混合器可以在湍流混合和传质中获得更髙的效率??［６０．６１］??Ｏ??Ｈａｉｒｐｉｎ?ｖｏｒｔｉｃｅｓ??图１－２梯形涡流发生器后产生的不同涡结构??Ｆｉｇｕｒｅ?１－２?Ｄｉｆｌｆｅｒｅｎｔ?ｖｏｒｔｅｘ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ?ｂｅｈｉｎｄ?ｔｒａｐｅｚｏｉｄａｌ?ｖｏｒｔｅｘ?ｇｅｎｅｒａｔｏｒ??窗性能祸旋静态混合器最早在１９９８年由Ｃｈｅｍｉｎｅｅｒ－Ｋｅｎｉｃｓ开发完成，圓为??其具有内部结构简单、流动阻力孝高效混合效率、压力损失小以及加工制造相??对容易等特点，在＿工业中有了很大应用６??为了得到更高的混合效率和换热能力，许多研究者研究了高牲能涡旋静态混??合器中涡流发生器的排布和布置情况来得到更好的综合换热效果［６２，６５］。为了更好??的指导ｉ业生产中的实际应用问题，许多研宄者通过数值模拟和实验的方法研究??了涡旋的相关结构和传热特性来更好的探宄影响强化换热的机理。Ｙａｎｇ等等??利用时间序列粒子图像测速方法（ＰＩＶ）研宄了通过单个矩形片涡流发生器的流??场形态，簠点：研究了其瞬时速度尝涡旋位置、速度剖面、赁诺剪切应力、湍流??耗散率来分析其发卡涡机理?＞结果表明涡流引起的近壁黏性流体向上游直接喷射??的现象对发卡涡的流动动态变化很重要，它可以増
?１绪论???确性。??（２）利用验证的数值模拟，分析开槽涡流发生器与常规涡流发生器结构（凸??型，梯形，开孔）的流动与换热特性差异。??（３）研究涡流发全器开槽结构参数（开槽宽度、开槽深度）对强化换热和??流动特性的影响，建立努塞尔数（ＭＤ、摩擦Ｓ子（／）、综含换热＿子（ＰＥＣ）等??与开槽宽度和深度的预测关系式。??（４）在上述研究的基础上，开展涡流发生器親合脉动流对强化换热和流动??特性的影响研究，得出不同脉动频率对换热和流动特性的影响规律。??依据上述的主要研究内容，本文的技术路线如图１－３所示。??主要内容??！????１?ｊ??对比验证?ｊ?ｒ＊深产?ｉ?开??「７?ｎ?对比分析｜｜?＾?ｉ?槽??：｜?ＣＦＤ模拟｜?！?ｒ－——｜｜不同结构参数｜?Ｍ??卜模拟?ＶＧ对比ｈ????｜￣｜?＇奴??｜丨讀麵｜?Ｉ?Ｌ?１?ｉ｜不同操作参数Ｍ圭??｜＿???Ｓ?！??１?器??＾ｉ?＿?ｉ?＿ｉ?Ｌ脉动流ｉ?的??ｉ??ｈ?管??????ｒｔ??方法丨?＿?主要结果?＿?｜??｜｜相关性分析１?｜｜强化换热性能｜??１｜可视化涡ｑ准则｜｜?＾１—流动特征—１｜—＊?｜??：?．！?Ｉ，?．Ｉ??丨?函数拟合?ｉ?ｊ函数预测关联式丨?拚??ｉｌ?ｖ?ｉｌ?ｖ?＼％??图１－３研宄技术路线??Ｆｉｇｕｒｅ?１－３?Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ?ｒｏａｄｍａｐ??９??
【参考文献】：
期刊论文
[1]周期性凹槽流道脉动流传热及流动特性的数值模拟[J]. 陈志刚,樊曙光,孙鸿燕,尤俊荐. 能源工程. 2019(03)
[2]低频脉动强化换热实验研究[J]. 王军,葛忆茹,潘朝峰,陈宁. 舰船科学技术. 2019(03)
[3]矩形通道内冲孔矩形小翼涡流发生器的流动换热特性[J]. 韩志敏,徐志明,赵宇,王景涛,刘坐东. 热科学与技术. 2018(05)
[4]管壳式换热器强化传热技术介绍[J]. 夏远庆,苏建伟,孙慧道. 辽宁化工. 2018(08)
[5]板间距对三角槽道脉动流流动阻力的影响[J]. 黄其,斯超,赵创要,钟英杰. 化工学报. 2018(12)
[6]圆管内三角波脉动流强化除垢性能分析[J]. 林纬,周瀚浩文,喻九阳,徐建民. 热能动力工程. 2018(07)
[7]矩形带肋通道中脉动流强化换热数值研究[J]. 杜博文,王维,贾月梅. 液压与气动. 2018(02)
[8]矩形通道中不同楞型涡流发生器的传热与阻力特性[J]. 徐志明,韩志敏,沈艺雯,王景涛,张一龙. 太阳能学报. 2017(05)
[9]基于大涡模拟的圆管脉动湍流减阻数值分析[J]. 宁涛,顾春伟. 清华大学学报(自然科学版). 2017(05)
[10]涡流发生器强化传热的数值模拟[J]. 原平方,张婷,齐文哲,郭凯,张小波,刘春江. 天津大学学报(自然科学与工程技术版). 2017(01)
博士论文
[1]脉动流与壁面振动强化传热及除垢特性研究[D]. 林纬.武汉理工大学 2015
[2]基于场协同理论的纵向涡强化换热技术及其应用[D]. 孟继安.清华大学 2003
硕士论文
[1]Pearson相关系数评价混合工质与纳米流体换热特性的应用研究[D]. 姜丰.天津大学 2018
[2]基于场协同理论的脉动流传热机理研究和火积耗散评价[D]. 王勋廷.浙江工业大学 2015
[3]涡流发生器对流动和换热影响的研究[D]. 王佳丽.河北工业大学 2014
[4]脉动流场下涡运动规律的实验研究[D]. 李思文.浙江工业大学 2012
[5]流体脉动强化对流换热的数值模拟[D]. 胡玉生.重庆大学 2005
本文编号：3524639
【文章来源】：中国矿业大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：97 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１不同类型换热器??Ｆｉｇｕｒｅ?１－１?Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ?ｔｙｐｅｓ?ｏｆ?ｈｅａｔ?ｅｘｃｈａｎｇｅｒ??
?１绪论???能涡旋单元，也被称为髙性能静态混合器。这是一种加工方便，高效率的涡流发??生器，广泛用于化工及能源领域。这种梯形片能够通过扰动流场，改变其流动特??征产生发卡涡和流向涡［５８］，产生的涡旋结构能够提升整个管道中的湍动能以及??湍动能耗散率，达到破坏和减薄边界层的Ｂ的，如图１－２［５９］所示。ｉｆ其他工业静??态混合器相比，高性能涡旋静态混合器可以在湍流混合和传质中获得更髙的效率??［６０．６１］??Ｏ??Ｈａｉｒｐｉｎ?ｖｏｒｔｉｃｅｓ??图１－２梯形涡流发生器后产生的不同涡结构??Ｆｉｇｕｒｅ?１－２?Ｄｉｆｌｆｅｒｅｎｔ?ｖｏｒｔｅｘ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ?ｂｅｈｉｎｄ?ｔｒａｐｅｚｏｉｄａｌ?ｖｏｒｔｅｘ?ｇｅｎｅｒａｔｏｒ??窗性能祸旋静态混合器最早在１９９８年由Ｃｈｅｍｉｎｅｅｒ－Ｋｅｎｉｃｓ开发完成，圓为??其具有内部结构简单、流动阻力孝高效混合效率、压力损失小以及加工制造相??对容易等特点，在＿工业中有了很大应用６??为了得到更高的混合效率和换热能力，许多研究者研究了高牲能涡旋静态混??合器中涡流发生器的排布和布置情况来得到更好的综合换热效果［６２，６５］。为了更好??的指导ｉ业生产中的实际应用问题，许多研宄者通过数值模拟和实验的方法研究??了涡旋的相关结构和传热特性来更好的探宄影响强化换热的机理。Ｙａｎｇ等等??利用时间序列粒子图像测速方法（ＰＩＶ）研宄了通过单个矩形片涡流发生器的流??场形态，簠点：研究了其瞬时速度尝涡旋位置、速度剖面、赁诺剪切应力、湍流??耗散率来分析其发卡涡机理?＞结果表明涡流引起的近壁黏性流体向上游直接喷射??的现象对发卡涡的流动动态变化很重要，它可以増
?１绪论???确性。??（２）利用验证的数值模拟，分析开槽涡流发生器与常规涡流发生器结构（凸??型，梯形，开孔）的流动与换热特性差异。??（３）研究涡流发全器开槽结构参数（开槽宽度、开槽深度）对强化换热和??流动特性的影响，建立努塞尔数（ＭＤ、摩擦Ｓ子（／）、综含换热＿子（ＰＥＣ）等??与开槽宽度和深度的预测关系式。??（４）在上述研究的基础上，开展涡流发生器親合脉动流对强化换热和流动??特性的影响研究，得出不同脉动频率对换热和流动特性的影响规律。??依据上述的主要研究内容，本文的技术路线如图１－３所示。??主要内容??！????１?ｊ??对比验证?ｊ?ｒ＊深产?ｉ?开??「７?ｎ?对比分析｜｜?＾?ｉ?槽??：｜?ＣＦＤ模拟｜?！?ｒ－——｜｜不同结构参数｜?Ｍ??卜模拟?ＶＧ对比ｈ????｜￣｜?＇奴??｜丨讀麵｜?Ｉ?Ｌ?１?ｉ｜不同操作参数Ｍ圭??｜＿???Ｓ?！??１?器??＾ｉ?＿?ｉ?＿ｉ?Ｌ脉动流ｉ?的??ｉ??ｈ?管??????ｒｔ??方法丨?＿?主要结果?＿?｜??｜｜相关性分析１?｜｜强化换热性能｜??１｜可视化涡ｑ准则｜｜?＾１—流动特征—１｜—＊?｜??：?．！?Ｉ，?．Ｉ??丨?函数拟合?ｉ?ｊ函数预测关联式丨?拚??ｉｌ?ｖ?ｉｌ?ｖ?＼％??图１－３研宄技术路线??Ｆｉｇｕｒｅ?１－３?Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ?ｒｏａｄｍａｐ??９??
【参考文献】：
期刊论文
[1]周期性凹槽流道脉动流传热及流动特性的数值模拟[J]. 陈志刚,樊曙光,孙鸿燕,尤俊荐. 能源工程. 2019(03)
[2]低频脉动强化换热实验研究[J]. 王军,葛忆茹,潘朝峰,陈宁. 舰船科学技术. 2019(03)
[3]矩形通道内冲孔矩形小翼涡流发生器的流动换热特性[J]. 韩志敏,徐志明,赵宇,王景涛,刘坐东. 热科学与技术. 2018(05)
[4]管壳式换热器强化传热技术介绍[J]. 夏远庆,苏建伟,孙慧道. 辽宁化工. 2018(08)
[5]板间距对三角槽道脉动流流动阻力的影响[J]. 黄其,斯超,赵创要,钟英杰. 化工学报. 2018(12)
[6]圆管内三角波脉动流强化除垢性能分析[J]. 林纬,周瀚浩文,喻九阳,徐建民. 热能动力工程. 2018(07)
[7]矩形带肋通道中脉动流强化换热数值研究[J]. 杜博文,王维,贾月梅. 液压与气动. 2018(02)
[8]矩形通道中不同楞型涡流发生器的传热与阻力特性[J]. 徐志明,韩志敏,沈艺雯,王景涛,张一龙. 太阳能学报. 2017(05)
[9]基于大涡模拟的圆管脉动湍流减阻数值分析[J]. 宁涛,顾春伟. 清华大学学报(自然科学版). 2017(05)
[10]涡流发生器强化传热的数值模拟[J]. 原平方,张婷,齐文哲,郭凯,张小波,刘春江. 天津大学学报(自然科学与工程技术版). 2017(01)
博士论文
[1]脉动流与壁面振动强化传热及除垢特性研究[D]. 林纬.武汉理工大学 2015
[2]基于场协同理论的纵向涡强化换热技术及其应用[D]. 孟继安.清华大学 2003
硕士论文
[1]Pearson相关系数评价混合工质与纳米流体换热特性的应用研究[D]. 姜丰.天津大学 2018
[2]基于场协同理论的脉动流传热机理研究和火积耗散评价[D]. 王勋廷.浙江工业大学 2015
[3]涡流发生器对流动和换热影响的研究[D]. 王佳丽.河北工业大学 2014
[4]脉动流场下涡运动规律的实验研究[D]. 李思文.浙江工业大学 2012
[5]流体脉动强化对流换热的数值模拟[D]. 胡玉生.重庆大学 2005
本文编号：3524639
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