螺旋半圓管夾套內(nèi)流體流動(dòng)與傳熱特性研究.pdf

1、螺旋半圓管夾套由于具有傳熱效率高、承載能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)在各種工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。本文采用數(shù)值和實(shí)驗(yàn)方法研究了安裝在反應(yīng)釜外壁側(cè)和內(nèi)壁側(cè)的兩種螺旋半圓管夾套內(nèi)流體流動(dòng)與換熱特性，簡(jiǎn)稱為釜外夾套和釜內(nèi)夾套。旨在為工程實(shí)際中螺旋半圓管夾套的合理設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)，以提高其內(nèi)流體的傳熱能力，并減小流動(dòng)阻力損失。
　　 本文首先基于正交螺旋坐標(biāo)系建立了兩種夾套內(nèi)流體充分發(fā)展層流流動(dòng)與換熱的數(shù)學(xué)模型，采用自編程序求解了兩種夾套內(nèi)充分發(fā)展

2、的層流流場(chǎng)與溫度場(chǎng)。研究了無(wú)量綱軸向壓力梯度Ps、夾套結(jié)構(gòu)以及流體物性對(duì)充分發(fā)展層流流動(dòng)與換熱特性的影響。結(jié)果表明釜外夾套橫截面上軸向速度的最大值位置只有一個(gè)，二次流為恒定的兩渦結(jié)構(gòu)；隨著Dn數(shù)的增加，釜內(nèi)夾套二次流存在由兩渦向四渦結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，軸向速度最大值位置由一個(gè)變?yōu)閮蓚€(gè)，轉(zhuǎn)變的臨界Dn數(shù)為96。相同條件下，釜內(nèi)夾套的層流換熱能力高于釜外夾套。
　　 應(yīng)用三維激光多普勒測(cè)速儀對(duì)有一定螺距的兩種夾套內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量。給出了直

3、角坐標(biāo)系下夾套內(nèi)的三維時(shí)均速度和脈動(dòng)速度分布，并經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換后，給出了基于正交螺旋坐標(biāo)系下的時(shí)均軸向速度分布和二次流速度分布。
　　 應(yīng)用CFD軟件模擬計(jì)算了兩種夾套內(nèi)流體的湍流流動(dòng)與換熱，數(shù)值模擬結(jié)果與激光多普勒測(cè)速儀測(cè)得的速度場(chǎng)和傳熱實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。給出了一定范圍下兩種夾套內(nèi)充分發(fā)展的湍流流動(dòng)阻力fRe和換熱壁面平均努塞爾數(shù)Num的關(guān)聯(lián)式。結(jié)果表明充分發(fā)展湍流條件下釜外夾套內(nèi)二次流結(jié)構(gòu)為恒定的兩渦結(jié)構(gòu)；釜內(nèi)夾套的二次流為恒

4、定的四渦結(jié)構(gòu)。兩種夾套內(nèi)流體的湍流換熱是平均二次流和湍流共同作用的結(jié)果。相同條件下，釜內(nèi)夾套充分發(fā)展湍流換熱能力高于釜外夾套，湍流流動(dòng)阻力也大于釜外夾套的流動(dòng)阻力。
　　 通過(guò)分析可知兩種夾套換熱壁面中心點(diǎn)處是流體換熱最差的部位，基于此提出了增加翅片和擾流柱來(lái)強(qiáng)化釜外夾套內(nèi)流體換熱的方法，并研究了翅片長(zhǎng)度、擾流柱高度等對(duì)釜外夾套的強(qiáng)化傳熱效果。結(jié)果表明研究范圍內(nèi)，長(zhǎng)度為h1=0.5a(a為夾套管半徑)的翅片對(duì)釜外夾套充分發(fā)展層流