基于扭带或锥形环的管内强化传热的数值模拟

摘要

管内强化传热技术是工业中一种常用的节能技术手段，广泛运用于能源、化工、电子、医药、材料等领域。因此，开发新的强化传热技术，提高设备的换热效率对于节能和经济的发展都具有重要作用。
　　本文在前人对窄边扭带研究的基础上，设计了交替轴窄边扭带、交替轴窄边中空扭带和交替轴贴壁中空扭带，并对管内内置上述形式的扭带在层流条件下进行了数值模拟，结果表明：对于交替轴窄边扭带和交替轴窄边中空扭带，在较低Re下，Nu随扭带错位角的增大而增大，而Re较高时，不同错位角度之间的差别很小，f随错位角的变化差别不大，PEC最大对应的是90°交错角。对于交替轴贴壁中空扭带，60°交错角下的Nu最大，且不同交错角下f差别明显，90°时f最大，PEC值随错位角的变化而呈现出复杂的变化规律，总体来说，60°的错位角对应的综合性能最好。
　　湍流条件下，不同交错角的交替轴扭带的换热差异不明显，所以对窄边扭带和中空扭带在湍流条件下进行了数值模拟，考察了换热特性、阻力特性及综合性能，并用速度场与温度场进行了分析。通过计算结果可知：窄边扭带的宽度越大，换热越好，阻力也越大，但综合性能依然越好；中空扭带的中空尺寸在较小时换热基本一致，较大时换热削弱，中空尺寸越大，阻力越小，综合性能也越好；传统扭带的换热性能及综合性能始终优于窄边扭带和中空扭带。
　　最后，还对湍流条件下管内内置不同结构形式的锥形环进行了数值模拟，发现固定锥形环小端端径，环大端与管壁间间隙越小换热越好；固定锥形环端径比，对于收缩环环大端与管壁间间隙越小换热越好，对于扩张环环大端与管壁间间隙适当的增大反而会强化传热；扩张环与收缩环相比，在小间隙下阻力大很多，大间隙下阻力反而略小；扩张环的综合性能始终优于收缩环。

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1 绪 论

1.1 概 述

1.2 强化传热简介

1.3 管内强化传热简介

1.4 管内内置扭带或锥形环的国内外研究

1.5 研究背景及本文研究内容

2 内置交替轴扭带的管内层流换热特性

2.1 物理模型

2.2 数值计算方法

2.3 计算方法的验证

2.4 结果及分析

2.5 本章小结

3 内置窄边扭带或中空扭带的管内湍流换热特性

3.1 物理模型

3.2 数值计算方法

3.3 计算方法的验证

3.4 结果及分析

3.5 本章小结

4 内置锥形环的管内湍流换热特性

4.1 物理模型

4.2 数值计算方法及数据处理方法

4.3 计算方法的验证

4.4 结果及分析

4.5 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献

附录 发表的论文