粗糙管的傳熱與流動特性優(yōu)化研究

李世清

摘要：本文利用Fluent軟件對縮放管這兩種常見的強(qiáng)化傳熱管進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬，首先采用非線性擬合、威爾遜法等，研究了橫紋管與縮放管的傳熱性能，發(fā)現(xiàn)縮放管的傳熱性能優(yōu)于橫紋管。然后在湍流時，以水為工質(zhì)，研究橫紋管的傳熱與流動性能，結(jié)果表明橫紋管的傳熱特性在低肋高時對肋高比較敏感，而流動特性則是在肋高較高時比較敏感;此外，不同的肋型與肋高也會影響其傳熱與流動特性。最后，在湍流條件下，研究縮放管的傳熱與流動性能，探討了不同的節(jié)距長度、肋高與節(jié)距比對其綜合性能的影響。

關(guān)鍵詞：強(qiáng)化傳熱;縮放管

第一章緒論

1.1課題背景

從中東石油危機(jī)爆發(fā)以來，以能源為中心的環(huán)境、生態(tài)等問題日益增多。各國人民都十分重視節(jié)能的意義，怎樣合理利用能源已經(jīng)成為了良性發(fā)展工業(yè)的核心問題，各類節(jié)能的技術(shù)如雨后春筍般出現(xiàn)。

1.2研究意義

研究各種傳熱過程的強(qiáng)化問題，設(shè)計、制造出高效換熱器，不僅是現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展過程中必須解決的問題，同時也是開展節(jié)能和開發(fā)新能源的迫切任務(wù);特別是近年來，世界范圍內(nèi)出現(xiàn)的能源危機(jī)使得能源和材料已成為熱力系統(tǒng)總成本的更重要的因素;為了節(jié)約資源、減少材料消耗和降低成本，就更多地求助于強(qiáng)化傳熱技術(shù)。

1.3研究內(nèi)容

（1）湍流時，以水為工質(zhì)，研究橫紋管的傳熱與流動性能，并分析了不同肋高與肋型對其傳熱與流動特性的影響;

（2）在湍流條件下，研究縮放管的傳熱與流動性能，還探討了不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)對其傳熱與流動特性的影響;

（3）通過非線性擬合與威爾遜法，實驗研究了橫紋管與縮放管的傳熱與流動特性。

第二章物理模型簡介

2.1引言

自從上個世紀(jì)以來，強(qiáng)化傳熱技術(shù)迅速發(fā)展，強(qiáng)化傳熱管的種類也越來越多，如橫紋管、T形管、縮放管、螺旋槽管等。縮放管是由依次交替的收縮段和擴(kuò)張段組成的波形流道，具有比平滑流道更高的傳熱性能。

2.2物理模型

2.2.1模型簡介

2.2.2網(wǎng)格劃分

通過Fluent程序包自帶Gambit軟件對計算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用六面體網(wǎng)格劃分，對于網(wǎng)格質(zhì)量，控制六面體等尺寸傾斜率（equisizeskew）及等角度傾斜率（equiangleskew）在0.8以下，對近壁面進(jìn)行邊界層加密處理，網(wǎng)格劃分及局部網(wǎng)格示意圖見圖2-2。管壁為恒壁溫?zé)o滑移邊界（Tw=373K），工質(zhì)水的物性為常物性，給定流體進(jìn)口質(zhì)量流量與溫度。

第三章?數(shù)據(jù)處理

3.1數(shù)據(jù)處理步驟

模擬數(shù)據(jù)處理如下所示：

（1）?管內(nèi)的傳熱速率

（3-1）

（2）?傳熱系數(shù)

?+? （3-2）

（3）?努賽爾數(shù)

?（3-3）

（4）?雷諾數(shù)

?（3-4）

（5）?阻力系數(shù)

（3-5）

3.2本章小結(jié)

本章主要介紹了計算時的控制方程、數(shù)值方法;并對計算結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

第四章?結(jié)果與分析

4.1引言

本章是在恒壁溫邊界條件下，以水作為工質(zhì)對縮放管的傳熱與流動特性進(jìn)行單因素優(yōu)化研究，在工業(yè)應(yīng)用范圍的結(jié)構(gòu)參數(shù)內(nèi)，考察不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對縮放管傳熱與流動特性的影響。

4.2第一輪優(yōu)化

第一輪，依次改變縮放管節(jié)距長度、肋高、節(jié)距比。當(dāng)e?=為0.8?mm以及P1：P2為2：1時，隨P的增加，Nu/Nup和f/fp減少。當(dāng)P為5～19?mm時，Nu/Nup和f/fp減小的幅度較大，f/fp減幅更快;當(dāng)P大于等于?21?mm時，Nu/Nup和f/fp變化的幅度逐漸平緩。P越短，Nu/Nup和f/fp對P的變化越敏感。

4.2第二輪優(yōu)化

第二輪優(yōu)化是在第一輪的基礎(chǔ)上，依次改變肋高、節(jié)距長度、節(jié)距比。當(dāng)P?=?11?mm與P1：P2?=?4：1時，隨肋高e的增加，Nu/Nup和f/fp均逐漸增加，f/fp增幅更大，對肋高更為敏感。當(dāng)e?=?0.5?mm時，傳熱綜合性能因子出現(xiàn)最大值。峰值前后，η都呈現(xiàn)單調(diào)性變化。當(dāng)e?=?0.5?mm與P1：P2?=?4：1時，隨節(jié)距P的增加，Nu/Nup和f/fp均降低，η也降低。當(dāng)P?>?21?mm后，η變化趨于平緩。

第五章?結(jié)論

采用非線性擬合，威爾遜圖解法，F(xiàn)luent軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬等方法，研究了不同的參數(shù)條件對橫紋管、縮放管的傳熱與流動特性的影響，得出：

（1）對于傳熱速率，縮放管與橫紋管都比光滑管提高了很多。但橫紋管的傳熱速率大于縮放管，同時其阻力損失也大于縮放管。因此，縮放管的綜合性能優(yōu)于橫紋管。

（2）橫紋管的傳熱特性在低肋高時對肋高比較敏感，而流動特性則是在肋高較高時比較敏感。

（3）隨著雷諾數(shù)的增加，所有肋型橫紋管的努賽爾數(shù)增加，阻力系數(shù)減少。Triangle型與Trapezoid型都比未改型的Circle型好，Rectangle1型的效果最差，Trapezoid、Triangle與外凸型有著更好的傳熱效果。

（4）通過兩輪優(yōu)化分析，研究一些結(jié)構(gòu)參數(shù)對縮放管性能的影響，以期達(dá)到最佳性能。

參考文獻(xiàn)

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