本文關鍵詞：翼片誘導管內縱向渦流動機理及強化傳熱特性研究

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【摘要】：單相對流傳熱是換熱器中最常見的熱量傳遞過程,高效換熱管件的應用可有效提高傳熱效率、節(jié)約能源,同時有助于設備的緊湊化設計,因而提高管內的傳熱性能具有重要的研究意義。本文針對低Re數(shù)對流傳熱的特點,提出采用翼片誘導縱向渦的方式強化管內對流傳熱,并利用數(shù)值模擬和實驗對其擾流機理和強化傳熱特性進行了深入的研究。當管內Re數(shù)較低時,對流傳熱熱阻不僅存在于壁面附近,還存在于主流區(qū)。基于此,設計了適合圓管的矩形、梯形和三角形3種形式的翼片結構,通過對其擾流流場和傳熱性能分析,可以得出：相較于矩形翼片和三角形翼片,梯形翼片因其“上窄下寬”的特點,既能夠有效誘導邊界層流體擾動,又能強化主流區(qū)流體混合,同時不會產生過大的流動阻力,因而在研究工況范圍內,表現(xiàn)出較好的綜合傳熱性能。模擬發(fā)現(xiàn),梯形翼片能夠有效誘導后方流體產生縱向渦結構,提高了垂直于流動方向上的速度分量,橫截面內的橫向速度最高可達主流平均速度的60%。流經(jīng)通道中部翼片上邊緣處的主流流體被引導至壁面附近,可實現(xiàn)壁面附近高溫流體與主流區(qū)低溫流體間直接的質量和熱量交換；同時縱向渦沿壁面發(fā)展有效減薄了熱邊界層,增大了壁面附近的溫度梯度。在上述兩種機制的共同作用下,管內流體溫度分布的均勻性得到較大改善,壁面局部Nu數(shù)顯著提升,最大可達光滑管的10倍,在500Re2500范圍內,管內平均Nu數(shù)提高了0.5-3倍。為得到不同工況下綜合傳熱性能最優(yōu)對應的翼片參數(shù)組合,利用三維數(shù)值模擬對翼片間距、與壁面夾角、沿周向布置個數(shù)等方面進行了優(yōu)化研究,并對其各自的流動與傳熱機理進行了深入分析。結果發(fā)現(xiàn)：1)隨著翼片間距S減小,Nu/Nu0值增加,流動阻力增大。在Re2000時翼片誘導產生的縱向渦持續(xù)距離較長,適當增大翼片間距綜合傳熱性能較好；在Re6000時縱向渦的耗散作用增強,適當減小翼片間距綜合傳熱性能較好；2)Nu數(shù)和阻力系數(shù)均隨翼片與壁面夾角α的增大而增加,且翼片迎流放置對管內Nu數(shù)的提升更為顯著,在500Re7000范圍內,內置迎流翼片管內PEC值均在1.2以上,最高可達1.6；3)沿周向適當增加翼片布置的個數(shù)n,可在橫截面內形成更為緊湊、密集的渦流,增大參與擾動的流體所占的比例,有利于強化傳熱。在研究范圍內,當500Re5000時,翼片個數(shù)增多會提高管內的PEC值；在Re6000時,由于翼片增多引起的流動阻力增大,因而翼片個數(shù)對綜合傳熱性能的改善效果不大。利用粒子成像測速技術(PIV)對圓管內置梯形翼片后的擾流流場進行了測量。實驗結果表明：翼片迎流放置時,渦偶內側為向壁流動,沿周向延展范圍較廣,在翼片下游持續(xù)距離較長；翼片順流放置時,渦偶內側為背壁流動,沿徑向延展距離較長,在距離翼片后方較近位置處擾流效果最好。截面內橫向速度最大值分別出現(xiàn)在渦偶的向壁流區(qū)和背壁流區(qū),徑向速度分量最大值位于相鄰旋渦中間位置。在500Re13000范圍內,翼片后方10mm處的橫向速度最大可達主流均速的27%以上,徑向速度可達主流均速的20%,有利于主流流體和壁面附近流體的質量交換。通過研究還發(fā)現(xiàn),Re數(shù)較高時,翼片迎流放置產生的縱向渦相對于翼片順流放置時具有更高的強度和更好的持續(xù)性。搭建了管內以水為工質的傳熱與流動測試實驗臺,對順、迎流翼片組不同間距下對應的管內傳熱和阻力特性進行了研究。結果表明：在研究工況范圍內,管內放置迎、順流翼片后傳熱性能相對于光滑管分別提高了70%-175%和60%-130%。翼片組間距較小強化傳熱效果較好,間距S=2.5對應的PEC值比間距S=5提高了10%-18.7%。管內綜合傳熱性能隨Re數(shù)增長呈現(xiàn)先升后降的趨勢,迎流翼片組PEC最大值對應的Re數(shù)隨間距減小而減小,但大致均在2000-4000之間,而各間距下的順流翼片組PEC最大值在Re=2000附近。在研究的參數(shù)范圍內,對于迎、順流翼片組,PEC值高于1.4對應的范圍分別為1500Re8000和1500Re6000。由此可見,管內置梯形翼片后對中、低Re數(shù)范圍的流體產生較好的綜合傳熱性能。搭建了管內以空氣為工質的傳熱與流動測試實驗臺,研究了翼片組的間距、順迎流放置和排列方式對管內空氣對流傳熱特性和阻力特性的影響。對比發(fā)現(xiàn)：在實驗工況范圍內,迎流翼片組對管內Nu數(shù)的提升效果顯著,Nu/Nu0值均在1.42-1.78之間,間距較大(S=10和7.5)時,PEC值隨Re數(shù)呈現(xiàn)先增后降的趨勢,最高接近1.25；間距較小(S=2.5和5)時,低Re數(shù)下管內PEC值較低,但隨著Re數(shù)增加PEC值逐漸提升,且在Re1 500時增長速率較快。對于順流翼片組,當Re數(shù)較低時,綜合傳熱性能較好,PEC最大值均出現(xiàn)在1500Re2000范圍內；當Re2000后,各間距對應的PEC值均呈現(xiàn)不同程度的下降趨勢,由此說明順流翼片組適合低Re數(shù)下的強化傳熱。此外,在間距S=7.5時,對管內翼片組順流順排、順流錯排、迎流順排、迎流錯排及交叉排5種排列方式進行對比,發(fā)現(xiàn)在實驗工況下迎流順排翼片組均具有較好的綜合傳熱性能。最后,對實驗結果進行擬合,得到了包含翼片組不同參數(shù)在內的管內傳熱特性和阻力特性的準則方程,可以為該類強化傳熱元件的設計計算提供依據(jù)。
【關鍵詞】：強化傳熱 縱向渦 梯形翼片 PIV 圓管
【學位授予單位】：山東大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TK124
【目錄】：

• 摘要13-16
• ABSTRACT16-21
• 主要項目符號表21-22
• 準則數(shù)22-23
• 第一章 緒論23-43
• 1.1 課題研究背景及意義23
• 1.2 強化傳熱技術概況23-26
• 1.3 縱向渦強化傳熱綜述26-32
• 1.3.1 國外縱向渦強化傳熱技術研究發(fā)展歷程及現(xiàn)狀27-30
• 1.3.2 國內縱向渦強化傳熱技術研究發(fā)展歷程及現(xiàn)狀30-32
• 1.4 管程側強化單相對流換熱研究現(xiàn)狀32-40
• 1.4.1 一次表面加工技術32-36
• 1.4.2 二次表面加工技術36-40
• 1.5 本文研究內容40-43
• 第二章 翼片誘導縱向渦強化傳熱數(shù)值模擬43-55
• 2.1 物理模型及網(wǎng)格劃分43-46
• 2.1.1 物理模型43-44
• 2.1.2 網(wǎng)格劃分策略44
• 2.1.3 數(shù)學模型44-45
• 2.1.4 參數(shù)定義45-46
• 2.2 模擬結果及數(shù)據(jù)分析46-54
• 2.2.1 速度場特性46-49
• 2.2.2 溫度場特性49-51
• 2.2.3 壁面?zhèn)鳠崽匦?/span>51-54
• 2.3 本章小結54-55
• 第三章 翼片結構優(yōu)化數(shù)值研究55-85
• 3.1 翼片強化傳熱數(shù)值模擬55-60
• 3.1.1 網(wǎng)格獨立性檢驗56
• 3.1.2 湍流模型選擇56-59
• 3.1.3 參數(shù)定義59-60
• 3.2 翼片間距優(yōu)化60-66
• 3.2.1 不同翼片間距對傳熱與流動阻力特性的影響60-63
• 3.2.2 不同翼片間距擾流機理分析63-66
• 3.3 翼片與流動方向夾角優(yōu)化66-73
• 3.3.1 不同翼片角度對傳熱與流動阻力特性的影響67-69
• 3.3.2 不同翼片角度擾流機理分析69-73
• 3.4 翼片周向布置個數(shù)優(yōu)化73-78
• 3.4.1 翼片周向布置個數(shù)對傳熱與流動阻力特性的影響73-75
• 3.4.2 不同翼片個數(shù)擾流機理分析75-78
• 3.5 翼片形狀優(yōu)化78-84
• 3.5.1 翼片形狀對傳熱與流動阻力特性的影響78-80
• 3.5.2 不同翼片形狀擾流機理分析80-84
• 3.6 本章小結84-85
• 第四章 梯形翼片擾流特性的PIV實驗研究85-113
• 4.1 實驗系統(tǒng)及裝置85-88
• 4.1.1 水循環(huán)系統(tǒng)86-87
• 4.1.2 測試段87-88
• 4.2 PIV測試原理及實驗步驟88-93
• 4.2.1 PIV測試原理88-89
• 4.2.2 實驗步驟89-91
• 4.2.3 圖像處理91-93
• 4.3 PIV實驗結果及數(shù)據(jù)分析93-111
• 4.3.1 研究內容93
• 4.3.2 參數(shù)定義93
• 4.3.3 迎流翼片后方截面內速度場特性分析93-102
• 4.3.4 不同翼片擾流特性的對比分析102-111
• 4.4 本章小結111-113
• 第五章 翼片組對管內水流動與強化傳熱影響實驗研究113-135
• 5.1 實驗系統(tǒng)及裝置113-119
• 5.1.1 供水系統(tǒng)114-115
• 5.1.2 加熱系統(tǒng)115
• 5.1.3 實驗段115-117
• 5.1.4 數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)117-119
• 5.2 實驗方案及數(shù)據(jù)處理119-121
• 5.2.1 實驗方案119-120
• 5.2.2 管內對流傳熱系數(shù)120
• 5.2.3 流動阻力系數(shù)120-121
• 5.3 實驗系統(tǒng)可靠性驗證121-124
• 5.3.1 測量系統(tǒng)的標定121-123
• 5.3.2 測量誤差分析123-124
• 5.4 實驗結果與分析124-134
• 5.4.1 實驗結果可靠性分析124-125
• 5.4.2 順流翼片組不同間距對管內傳熱和流動阻力的影響125-128
• 5.4.3 迎流翼片組不同間距對管內傳熱和流動阻力的影響128-132
• 5.4.4 綜合性能分析132-134
• 5.5 本章小結134-135
• 第六章 翼片組對管內空氣擾流及強化傳熱影響實驗研究135-159
• 6.1 實驗系統(tǒng)及裝置135-139
• 6.1.1 流速測量系統(tǒng)136-137
• 6.1.2 壓差測量系統(tǒng)137-138
• 6.1.3 實驗方案138-139
• 6.2 實驗誤差及可靠性驗證139-142
• 6.2.1 傳熱系數(shù)可靠性分析139-140
• 6.2.2 進出口壓降可靠性分析140-141
• 6.2.3 誤差分析141-142
• 6.3 實驗結果及數(shù)據(jù)分析142-153
• 6.3.1 翼片組間距和順、迎流放置對傳熱及流動阻力的影響142-149
• 6.3.2 翼片組排列方式對傳熱和流動阻力的影響149-153
• 6.4 傳熱與阻力特性預測關聯(lián)式153-158
• 6.4.1 傳熱特性預測關聯(lián)式153-156
• 6.4.2 阻力特性預測關聯(lián)式156-158
• 6.5 本章小結158-159
• 第七章 全文總結及展望159-163
• 7.1 全文總結159-162
• 7.2 本文主要創(chuàng)新點162
• 7.3 不足與展望162-163
• 參考文獻163-173
• 致謝173-175
• 攻讀學位期間發(fā)表的學術論文目錄175-177
• 附件177-190
• 學位論文評閱及答辯情況表190

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前3條

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2 唐玉峰;田茂誠;張冠敏;劉建;陳宏瑜;;內置彈簧線圈平板通道流動傳熱實驗研究[J];工程熱物理學報;2010年11期

3 過增元;對流換熱的物理機制及其控制:速度場與熱流場的協(xié)同[J];科學通報;2000年19期

中國博士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前2條

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2 游永華;管殼式換熱器中單相流體強化傳熱的數(shù)值模擬和實驗研究[D];華中科技大學;2013年

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本文編號：973814