扭帶及渦產(chǎn)生器在管內(nèi)誘導(dǎo)的二次流強(qiáng)度及其強(qiáng)化傳熱特性研究.pdf

1、發(fā)展強(qiáng)化傳熱技術(shù)不僅可以降低換熱設(shè)備的成本,而且能滿足溫度控制和高熱流的需求,更是實(shí)施節(jié)能減排,倡導(dǎo)關(guān)愛(ài)環(huán)境的必然要求。二次流強(qiáng)化傳熱技術(shù)是利用特定的裝置使流體在換熱空間中產(chǎn)生二次流以提高換熱效率的無(wú)源強(qiáng)化傳熱技術(shù)?；诙瘟鲝?qiáng)化傳熱的第三代強(qiáng)化傳熱技術(shù)目前已得到廣泛應(yīng)用,如管翅式換熱器中渦產(chǎn)生器強(qiáng)化翅片和內(nèi)置扭帶強(qiáng)化傳熱管就是典型代表。為更好的應(yīng)用二次流強(qiáng)化傳熱技術(shù),首當(dāng)其沖的任務(wù)是找到二次流強(qiáng)度的普遍適用性的定量描述參數(shù),并在此基礎(chǔ)

2、上建立起二次流強(qiáng)度與強(qiáng)化傳熱程度之間的定量關(guān)系,最終找到有效利用二次流強(qiáng)化傳熱的方式。考慮到扭帶與流體的接觸面積過(guò)大導(dǎo)致內(nèi)插扭帶強(qiáng)化傳熱管的摩擦阻力和形體阻力增加,尋找結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用、具有優(yōu)越傳熱性能的新型內(nèi)置擾流元件及優(yōu)化其結(jié)構(gòu)參數(shù)是強(qiáng)化傳熱的研究熱點(diǎn)。
　　 本文首先發(fā)展了非正交曲線坐標(biāo)系下對(duì)流傳熱區(qū)域分解的計(jì)算方法及程序;對(duì)內(nèi)插扭帶管內(nèi)層流流動(dòng)和耦合傳熱進(jìn)行了數(shù)值模擬,定量分析了扭帶的翅片效應(yīng)對(duì)強(qiáng)化傳熱的影響,并細(xì)致分析了

3、扭帶結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)管內(nèi)對(duì)流換熱特性的影響:提出了與絕對(duì)渦通量參數(shù)JnABS對(duì)應(yīng)的無(wú)量綱參數(shù)Se,并闡述了絕對(duì)渦通量參數(shù)及其無(wú)量綱參數(shù)的物理意義;采用絕對(duì)渦通量參數(shù)及其對(duì)應(yīng)的無(wú)量綱參數(shù)對(duì)內(nèi)插扭帶管內(nèi)二次流強(qiáng)度進(jìn)行了定量描述;分析了無(wú)量綱參數(shù)與對(duì)流換熱強(qiáng)度的關(guān)系,考查了管內(nèi)二次流強(qiáng)度對(duì)流動(dòng)邊界層的影響,量化了二次流強(qiáng)度對(duì)傳熱強(qiáng)化和阻力增加的貢獻(xiàn),并分析了二次流強(qiáng)化傳熱效應(yīng)與熱邊界條件之間的關(guān)系;開發(fā)了一種渦產(chǎn)生器式的內(nèi)插強(qiáng)化傳熱元件以減小扭帶與

4、流體的接觸面積,對(duì)內(nèi)插渦產(chǎn)生器管內(nèi)層流流動(dòng)和耦合傳熱進(jìn)行了數(shù)值模擬,并采用正交設(shè)計(jì)方法初步對(duì)渦產(chǎn)生器結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了初步篩選;分析了渦產(chǎn)生器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)流動(dòng)與傳熱特性的影響及無(wú)量綱二次流強(qiáng)度參數(shù)與內(nèi)插渦產(chǎn)生器管內(nèi)對(duì)流換熱強(qiáng)度的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn):
　　 (1)扭帶熱邊界條件的處理方法對(duì)數(shù)值結(jié)果影響較大。過(guò)于簡(jiǎn)單的熱邊界條件雖然簡(jiǎn)化了物理模型和計(jì)算過(guò)程,但數(shù)值結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值偏差較大;基于耦合傳熱模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好,通過(guò)選擇合適

5、的等效熱阻來(lái)考慮扭帶與管壁接觸狀態(tài)對(duì)傳熱的影響能進(jìn)一步提高數(shù)值結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一致性。
　　 (2)絕對(duì)渦通量參數(shù)JnABS的物理意義可表述為:它表示流體在繞沿主流方向的軸線旋轉(zhuǎn)的平均角速度;無(wú)量綱參數(shù)Se的物理意義可表述為:二次流誘導(dǎo)的慣性力和粘性力之比的一種度量。
　　 (3)對(duì)于內(nèi)插扭帶管,無(wú)量綱絕對(duì)渦通量參數(shù)Se與文獻(xiàn)中的無(wú)量綱渦旋參數(shù)Sw存在線性關(guān)系,這說(shuō)明無(wú)量綱絕對(duì)渦通量參數(shù)Se和無(wú)量綱渦旋參數(shù)Sw是相容的,

6、但無(wú)量綱參數(shù)Se具有普遍適應(yīng)性,同時(shí)該參數(shù)還具有局部特性。
　　 (4)對(duì)于內(nèi)插扭帶管,管壁為兩種熱邊界條件(UWT和UWHF)下的對(duì)流換熱強(qiáng)度Num均隨二次流強(qiáng)度參數(shù)Se增大而增大;若不考慮扭帶的翅片效應(yīng),Num和δNum(=Num-Num,ref)均與Se存在良好的冪次函數(shù)相關(guān),且管壁為等壁溫條件下的二次流強(qiáng)化傳熱效應(yīng)ηEN(=Num/Num,ref)高于等熱流條件下的ηEN值;同時(shí)無(wú)量綱參數(shù)Se與強(qiáng)化傳熱因子JF存在一定的

7、相關(guān)性,這表明Se可以用于估計(jì)內(nèi)插扭帶管內(nèi)二次流強(qiáng)化傳熱所能達(dá)到的性能。
　　 (5)在所研究的結(jié)構(gòu)參數(shù)范圍內(nèi)(Re=200～800,Tr=4.0～6.0,δ/D=0.025～0.1),內(nèi)插扭帶管內(nèi)的二次流沒(méi)有明顯改變流動(dòng)邊界層的厚度,這說(shuō)明內(nèi)插扭帶管內(nèi)二次流強(qiáng)化對(duì)流換熱的主要原因并不是減薄了速度邊界層厚度。
　　 (6)在所研究的渦產(chǎn)生器結(jié)構(gòu)參數(shù)范圍內(nèi),在正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)中以強(qiáng)化傳熱因子JF值最大為設(shè)計(jì)目標(biāo)時(shí),影響目標(biāo)的主

8、要因素與Re數(shù)有關(guān),當(dāng)Re=400時(shí),影響目標(biāo)的主要因素是渦產(chǎn)生器的間距S’、渦產(chǎn)生器主攻擊角α、基帶寬度W與管子直徑的比值W/D;平行四邊形渦產(chǎn)生器優(yōu)于直角梯形渦產(chǎn)生器,基帶寬度W/D=0.3的目標(biāo)值優(yōu)于W/D=0.5的目標(biāo)值,尤其是在等壁溫?zé)徇吔鐥l件下。
　　 (7)對(duì)于管內(nèi)鑲嵌渦產(chǎn)生器元件,在其他結(jié)構(gòu)參數(shù)相同的條件下,隨著主攻擊角a的增大,管內(nèi)二次流強(qiáng)度增強(qiáng),同時(shí),Nu增大,強(qiáng)化傳熱效應(yīng)ηEN值也增大;隨著渦產(chǎn)生器間距S'