基于流體強化傳熱的管內(nèi)多縱向渦結(jié)構(gòu)研究.pdf

1、工質(zhì)的流動和傳熱是動力、核能、制冷、化工、石油、航天航空等行業(yè)中的常見過程，在這些行業(yè)的換熱設(shè)備中廣泛存在著各種各樣的傳熱問題。在積極開展余熱回收以及節(jié)能減排工作的過程中，可供開發(fā)的新能源中也存在著大量的傳熱問題。因此，本文通過對管內(nèi)對流換熱過程進行理論分析、數(shù)值計算以及實驗驗證，在基于流體傳熱強化理論的支撐下，尋找并發(fā)現(xiàn)了使得換熱增強但阻力增加不大的多縱向渦結(jié)構(gòu)的強化傳熱元件。
　　本文針對對流換熱過程中的不可逆過程，在已有的最

2、小熵產(chǎn)優(yōu)化原理和最小火積耗散優(yōu)化原理的基礎(chǔ)上，分析了對流換熱過程中可用能的傳遞，提出了同時基于熱力學第一定律和熱力學第二定律的可用能損失評價方法，該方法優(yōu)勢在于可用能的量綱單位與能量的量綱單位一致，因此可以很好地理解和解釋對流換熱過程中不可逆損失。
　　針對管內(nèi)層流和湍流換熱，分析了流體質(zhì)點矢量物理量的協(xié)同性，揭示了對流換熱多場協(xié)同規(guī)律與強化傳熱機理之間的關(guān)系，提出了評價強化傳熱綜合性能的效能評價系數(shù)EEC，同時，基于協(xié)同角α、β

3、、γ、θ、η，初建了判斷層流和湍流強化傳熱性能的統(tǒng)一評價體系以及相應(yīng)的評價指標，并通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型建立了場物理量協(xié)同與效能評價系數(shù)EEC值之間的關(guān)系，利用遺傳算法在一定場物理量協(xié)同變化范圍內(nèi)尋找強化傳熱綜合性能最優(yōu)的場物理量協(xié)同組合。
　　不同于傳統(tǒng)的基于表面強化傳熱的思想，本文基于流體強化傳熱的思想，結(jié)合對流換熱過程的不可逆性優(yōu)化得到的多縱向旋流結(jié)構(gòu)，進行了一系列管內(nèi)插入物的數(shù)值模擬研究，并對數(shù)值模擬結(jié)果進行了綜合傳熱性能、多場

4、協(xié)同、熵產(chǎn)分析等評價工作。在管內(nèi)插入螺旋片結(jié)構(gòu)可以在管內(nèi)形成單個縱向旋流，在Reynolds數(shù)為4000~12000的范圍內(nèi)，其綜合傳熱性能可以達到1.58~2.35。對管內(nèi)插入多個扭帶的傳熱與流動特性的數(shù)值模擬研究可知，三個或者四個扭帶可以在管內(nèi)形成三個或者四個縱向渦結(jié)構(gòu)，在層流條件下，其PEC值最高可以達到2.5。多個螺旋片插入物同樣可以在管內(nèi)形成多縱向渦結(jié)構(gòu)，進一步驗證了管內(nèi)多渦結(jié)構(gòu)可以有效地提高傳熱綜合性能，在層流下，其PEC值

5、可達到2.90~5.10，并對管內(nèi)插入多個螺旋片的數(shù)值計算進行場協(xié)同分析，多縱向渦的存在改善了對流換熱的速度場和溫度場的協(xié)同程度。四個三角翼型縱向渦發(fā)生器在一定的尺寸配合下，插入管內(nèi)可以形成內(nèi)四渦外四渦的八個縱向渦的流場結(jié)構(gòu)，其綜合傳熱性能PEC值最高可以達到2.9。通過對管內(nèi)插入五星桿結(jié)構(gòu)的傳熱與流動特性的數(shù)值研究可知，在管內(nèi)插入五星桿結(jié)構(gòu)可以成功地在管內(nèi)形成十個縱向渦的流場結(jié)構(gòu)，這種流場結(jié)構(gòu)同樣可以很好地對流場進行擾動，其綜合傳熱性

6、能PEC值最大可以達到3.5。這些管內(nèi)插入結(jié)構(gòu)可以對換熱器的改造和設(shè)計提供指導意義。
　　根據(jù)理論分析和數(shù)值模擬的結(jié)果，本文通過實驗證明了管內(nèi)插入四個縱向渦發(fā)生器是一種有效的強化傳熱方式，相比光管而言，在Reynolds數(shù)為3000~19000的范圍內(nèi)，其Nusselt數(shù)增加了1.20~2.93倍，阻力系數(shù)增加了3.5~6.5倍；強化管換熱系數(shù)增加的倍數(shù)會隨著縱向渦發(fā)生器間距的增大和攻角的減小而減??；而阻力系數(shù)增加的倍數(shù)會隨著Re