基于流體強(qiáng)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(dòng)和傳熱是動(dòng)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(duì)管內(nèi)對(duì)流換熱過程進(jìn)行理論分析、數(shù)值計(jì)算以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在基于流體傳熱強(qiáng)化理論的支撐下，尋找并發(fā)現(xiàn)了使得換熱增強(qiáng)但阻力增加不大的多縱向渦結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化傳熱元件。
　　本文針對(duì)對(duì)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(duì)流換熱過程中可用能的傳遞，提出了同時(shí)基于熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律的可用能損失評(píng)價(jià)方法，該方法優(yōu)勢(shì)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(duì)流換熱過程中不可逆損失。
　　針對(duì)管內(nèi)層流和湍流換熱，分析了流體質(zhì)點(diǎn)矢量物理量的協(xié)同性，揭示了對(duì)流換熱多場(chǎng)協(xié)同規(guī)律與強(qiáng)化傳熱機(jī)理之間的關(guān)系，提出了評(píng)價(jià)強(qiáng)化傳熱綜合性能的效能評(píng)價(jià)系數(shù)EEC，同時(shí)，基于協(xié)同角α、β

3、、γ、θ、η，初建了判斷層流和湍流強(qiáng)化傳熱性能的統(tǒng)一評(píng)價(jià)體系以及相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，并通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型建立了場(chǎng)物理量協(xié)同與效能評(píng)價(jià)系數(shù)EEC值之間的關(guān)系，利用遺傳算法在一定場(chǎng)物理量協(xié)同變化范圍內(nèi)尋找強(qiáng)化傳熱綜合性能最優(yōu)的場(chǎng)物理量協(xié)同組合。
　　不同于傳統(tǒng)的基于表面強(qiáng)化傳熱的思想，本文基于流體強(qiáng)化傳熱的思想，結(jié)合對(duì)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(jìn)行了一系列管內(nèi)插入物的數(shù)值模擬研究，并對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了綜合傳熱性能、多場(chǎng)

4、協(xié)同、熵產(chǎn)分析等評(píng)價(jià)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(gè)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(dá)到1.58~2.35。對(duì)管內(nèi)插入多個(gè)扭帶的傳熱與流動(dòng)特性的數(shù)值模擬研究可知，三個(gè)或者四個(gè)扭帶可以在管內(nèi)形成三個(gè)或者四個(gè)縱向渦結(jié)構(gòu)，在層流條件下，其PEC值最高可以達(dá)到2.5。多個(gè)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(jìn)一步驗(yàn)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(dá)到2.90~5.10，并對(duì)管內(nèi)插入多個(gè)螺旋片的數(shù)值計(jì)算進(jìn)行場(chǎng)協(xié)同分析，多縱向渦的存在改善了對(duì)流換熱的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)的協(xié)同程度。四個(gè)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(gè)縱向渦的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，其綜合傳熱性能PEC值最高可以達(dá)到2.9。通過對(duì)管內(nèi)插入五星桿結(jié)構(gòu)的傳熱與流動(dòng)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(gè)縱向渦的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，這種流場(chǎng)結(jié)構(gòu)同樣可以很好地對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行擾動(dòng)，其綜合傳熱性

6、能PEC值最大可以達(dá)到3.5。這些管內(nèi)插入結(jié)構(gòu)可以對(duì)換熱器的改造和設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)意義。
　　根據(jù)理論分析和數(shù)值模擬的結(jié)果，本文通過實(shí)驗(yàn)證明了管內(nèi)插入四個(gè)縱向渦發(fā)生器是一種有效的強(qiáng)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(qiáng)化管換熱系數(shù)增加的倍數(shù)會(huì)隨著縱向渦發(fā)生器間距的增大和攻角的減小而減?。欢枇ο禂?shù)增加的倍數(shù)會(huì)隨著Re