半橢圓管新型換熱元件換熱與阻力特性研究.pdf

1、換熱器作為進(jìn)行熱量交換而實(shí)現(xiàn)加熱或冷卻的通用設(shè)備，在能源有效利用過程中起著至關(guān)重要的作用。目前，換熱設(shè)備中廣泛采用的是易加工且承壓能力強(qiáng)的圓管，但是流體橫掠圓管時(shí)，會發(fā)生大范圍的邊界層分離，在尾部形成較寬的分離區(qū)，造成較大的壓降損失，嚴(yán)重時(shí)會引起振動(dòng)，造成直接破壞。處于節(jié)能及一些特殊的需要，具有細(xì)長形狀的流線形管引起了人們的興趣。本文提出一種具有良好流線外形的換熱管——半橢圓管，并通過數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)方法對其流動(dòng)和換熱性能進(jìn)行研究。

2、>　　 通過數(shù)值模擬，對空氣橫掠長、短軸比L/D=1（圓管），1.5，2，3，4，5的六種不同形狀半橢圓管的換熱和流動(dòng)特性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明:不同Re數(shù)下的最佳換熱管型是不同的;Re≥8000時(shí)，L/D=2時(shí)平均表面換熱系數(shù)最高;Re＜8000時(shí)，L/D=1.5時(shí)平均表面換熱系數(shù)最高。相同Re數(shù)下，L/D越大，半橢圓管阻力系數(shù)越小，但是L/D過大，管子的換熱也會變差。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，擬合得到不同管型半橢圓管的Nu數(shù)與Re數(shù)間的準(zhǔn)則

3、式，為工程實(shí)踐和理論研究提供了依據(jù)。通過對流動(dòng)和換熱綜合性能評價(jià)指標(biāo)j/f隨L/D和Re數(shù)的變化規(guī)律進(jìn)行分析，得出不同Re數(shù)下的最佳換熱管型:Re=3984時(shí)，L/D≈3.5的半橢圓管的j/f值最高，即對流換熱的綜合性能最好;Re=47809時(shí)，對流換熱性能最好的管型為L/D≈2.2的半橢圓管。在本文數(shù)值模擬的Re數(shù)范圍內(nèi)，L/D=2時(shí)半橢圓管的管外對流換熱系數(shù)比相應(yīng)的圓管高約7％～44.3％，阻力系數(shù)僅為圓管的32％～53％。根據(jù)場協(xié)

4、同理論，計(jì)算了半橢圓管(L/D=2)壁面邊界層內(nèi)平均場協(xié)同角沿?fù)Q熱表面的分布，并與相同條件下的圓管作了比較。經(jīng)計(jì)算:Re=31872時(shí)，L/D=2的半橢圓管換熱面上的平均協(xié)同角為88.6°，圓管為89.3°，表明半橢圓管表面速度矢量與溫度梯度的平均協(xié)同程度較好，可以進(jìn)一步解釋半橢圓管的強(qiáng)化傳熱機(jī)理。
　　 通過搭建風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)臺，研究了L/D=1，2，3，4四種管型半橢圓管的管外平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)及阻力系數(shù)，與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行比較后發(fā)

5、現(xiàn):實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬得到的管外Nu數(shù)和阻力系數(shù)f隨Re數(shù)的變化趨勢一致，且數(shù)據(jù)的接近程度在誤差允許的范圍內(nèi)，證明了數(shù)值模擬的可靠性。
　　 通過數(shù)值模擬對空氣橫掠L/D=2的半橢圓管光滑管束的換熱和流動(dòng)特性進(jìn)行了分析，并與相同排列的圓管管束和橢圓管束進(jìn)行比較。結(jié)果表明:在本文研究的Re數(shù)范圍內(nèi)，半橢圓管束和橢圓管束的換熱性能均高于相應(yīng)的圓管管束;Re＜1.2×104時(shí)，叉排半橢圓管束的換熱系數(shù)低于相同排列的橢圓管束，Re≥1.

6、2×104時(shí)，其換熱系數(shù)高于橢圓管束，而且差值隨Re數(shù)的增加而變大。叉排半橢圓管束的管外對流換熱系數(shù)比相應(yīng)的圓管管束高約8.3％～29％，阻力系數(shù)僅為圓管管束的53％～63％，因此，使用具有流線形的半橢圓管，可以收到強(qiáng)化傳熱及降低流阻的雙重效果。根據(jù)場協(xié)同原理進(jìn)一步分析了半橢圓管束的強(qiáng)化傳熱機(jī)理，計(jì)算了半橢圓管束(L/D=2)、橢圓管束和圓管管束中各排管邊界層內(nèi)的平均場協(xié)同角分布。Re=23904時(shí)半橢圓管束的平均協(xié)同角為88.1°，橢