纵向涡发生器和组合翅片在翅片管式换热器中的数值研究

摘要

翅片管式换热器是一种具有高传热性能，广泛应用于石油化工工业、金属冶炼、机械加工制造、动力工程、航空航天等领域中的换热设备。本文提出的存在偏移距离(OD)的曲面涡发生器结构是一种翅片管式换热器无源强化换热技术，该结构可以增强二次流强化换热效果、引流和流体的射流冲击作用，从而提高换热器的传热性能。本文利用Workbench和Fluent软件，对存在偏移距离的曲面涡发生器翅片、矩形小翼涡发生器翅片以及存在偏移距离曲面涡发生器和开缝组合翅片三种翅片对换热器换热和流动特性的影响进行了数值研究。 为了研究存在偏移距离的曲面涡管翅式换热器翅片对空气侧的换热和流动特性的影响，从尾涡区的变化、不同截面二次流形成和发展的过程以及射流冲击的角度去分析空气侧流体的流场，并与无偏移距离的曲面涡翅片流场进行对比；通过对两种涡发生器翅片平均努谢尔数、阻力因子、JF1和JF2因子随雷诺数变化趋势的对比，得出存在偏移距离的曲面涡发生器翅片综合传热性能优于改进前曲面涡翅片。并且通过平均努谢尔数、阻力因子、JF1和JF2因子的比较，分析研究了不同偏移距离对曲面涡发生器翅片传热特性的影响。提出一种修正的无量纲评价因子。 通过将OD=1曲面涡翅片与矩形小翼涡翅片的数值仿真结果进行对比，从空气侧流场的角度分析对比两种翅片在引流、二次流形成和强度等方面的效果；借助平均努谢尔数、阻力因子、JF1和JF2因子的比较，分析对比两种翅片在换热和流动性能上的优劣，结果发现在等流量条件下，曲面涡翅片综合传热性能表现更优秀。并分析了矩形小翼涡发生器在不同相对距离下对传热性能的影响。 通过将OD=1曲面涡翅片与OD=1曲面涡发生器和开缝组合翅片的仿真结果，从平均努谢尔数、阻力因子、JF1和JF2因子等方面进行比较，分析两种翅片的传热性能的优劣，结果发现，组合翅片的传热性能劣于单一的曲面涡翅片；为了提高组合翅片的传热性能，提出了一种优化改进型组合翅片，通过结果的对比发现：改进型组合翅片的传热性能优于改进前的结构；在较大雷诺数下，改进型组合翅片的传热性能优于单一的OD=1曲面涡翅片。

目录

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第1章 绪论

1.1课题研究背景和意义

1.2翅片管式换热器概述

1.2.1翅片管分类

1.2.2翅片管的特点

1.3国内外研究现状

1.3.1平直翅片

1.3.2开缝翅片

1.3.3涡发生器翅片

1.4本文研究工作

第2章 传热和流动理论

2.1传热基本理论

2.1.1热传导

2.1.2热对流

2.1.3热辐射

2.1.4典型传热过程

2.2边界层理论

2.2.1速度边界层

2.2.2热边界层

2.3流动微分方程

2.4翅片管式换热器传热原理

2.4.1稳态传热方程

2.4.2肋片导热

2.4.3常用的相似准则数

2.5传热与流动评价指标

1.努谢尔数

2. j、f评价因子

2.6 数值模拟和软件简介

2.6.1 数值模拟简介和优点

2.6.2 相关软件简介

第3章 改进型曲面涡发生器数值模拟分析

3.1引言

3.2 模型建立与条件设定

3.2.1 计算域模型

3.2.2 边界条件设置

3.2.3算法设置

3.3网格独立性验证和实验对比

3.3.1独立性验证

3.3.2实验结果和数值结果对比分析

3.4数值模拟结果分析

3.4.1 改进型曲面涡发生器对圆管尾流区的影响

3.4.2 改进型曲面涡发生器对换热效果的影响

3.4.3 修正无量纲评价因子L的提出

3.4.4不同偏移距离对传热特性的影响

3.5 本章小结

第4章 矩形小翼涡发生器翅片数值模拟对比分析

4.1 引言

4.2模型建立与条件设定

4.2.1计算域模型

4.2.2 边界条件设置

4.3网格独立性验证

4.4数值模拟结果分析

4.4.1对圆管尾涡区的影响

4.4.2对温度场的影响

4.4.3 换热和流动性能比较

4.5本章小结

第5章 改进型曲面涡与开缝组合翅片数值分析

5.1 引言

5.2模型建立与条件设定

5.2.1计算域模型

5.2.2 边界条件设置

5.3网格独立性验证

5.4 数值模拟结果分析

5.4.1组合翅片的传热性能比较

5.4.2组合翅片的流场对比

5.4.3组合翅片温度场对比

5.4.4组合翅片压力和速度对比

5.5 组合翅片改进结构分析

5.5.1组合翅片改进结构物理模型

5.5.2组合翅片改进模型参数

5.5.3改进组合翅片的换热和特性分析

5.6 本章小结

第6章 总结与展望

致谢

参考文献

攻读学位期间获得的科研成果目录