外凸式螺旋波紋管流動(dòng)與傳熱特性的數(shù)值模擬研究.pdf

1、能源是一個(gè)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)命脈,與人民的生產(chǎn)水平和生活環(huán)境息息相關(guān),在整個(gè)社會(huì)中起著舉足輕重的作用。隨著各國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,能源緊缺已經(jīng)成為當(dāng)今世界面臨的關(guān)鍵問(wèn)題。換熱器是工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中不可或缺的設(shè)備,開(kāi)發(fā)緊湊型和高效型的新型換熱設(shè)備成為解決能源問(wèn)題的重要方法之一。本課題以提高換熱器效率為研究目標(biāo),提出了一種外凸式螺旋波紋管新型換熱元件。針對(duì)外凸式螺旋波紋管進(jìn)行了如下研究:
　　(1)應(yīng)用CFD軟件中的二維軸對(duì)稱模型和三維模型針對(duì)光管進(jìn)

2、行了數(shù)值計(jì)算和網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析,確定了最優(yōu)的第一層網(wǎng)格厚度以及主流區(qū)網(wǎng)格間距。將二維和三維的模擬結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)比,驗(yàn)證了數(shù)值模型的正確性。另外,相比于三維模型二維軸對(duì)稱模型可以在幾乎不損失計(jì)算精度的前提下有效的減少計(jì)算量。
　　(2)采用k-ε數(shù)值模擬方法研究了外凸式螺旋波紋管的換熱性能,考察了螺紋間距P、螺紋深度H以及螺紋倒角r三個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其性能指標(biāo)的影響規(guī)律,并且與波節(jié)管和光管的傳熱性能進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明,外凸式螺旋波

3、紋管的綜合換熱性能比波節(jié)管提高了18.4％~27.3%。其傳熱性能隨著螺紋間距P的增加而減小;螺紋間距H的增加,不僅提高了其傳熱性能,同時(shí)也增加了阻力性能;而螺紋倒角r的增加可以使傳熱性能幾乎不變的情況下降低阻力性能。
　　(3)針對(duì)外凸式螺旋波紋管的流動(dòng)和傳熱參數(shù)(速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、湍動(dòng)能以及湍動(dòng)能耗散率)進(jìn)行了深入研究,揭示了其強(qiáng)化換熱機(jī)理,并且與波節(jié)管和光管的流動(dòng)和傳熱機(jī)理進(jìn)行了對(duì)比分析?？疾炝送馔故铰菪y管中螺紋間

4、距P、螺紋深度H和螺紋倒角r對(duì)流動(dòng)和傳熱性能參數(shù)的影響。研究結(jié)果表明,外凸式螺旋波紋管中螺紋內(nèi)部壓力梯度的變化使螺紋內(nèi)形成一個(gè)脫體渦旋,這個(gè)渦旋會(huì)破壞流體的速度邊界層和熱邊界層,而且增加了流體內(nèi)部的湍流強(qiáng)度和熱量擴(kuò)散能力,起到了明顯的強(qiáng)化換熱效應(yīng)。
　　(4)本文采用響應(yīng)曲面法對(duì)外凸式螺旋波紋管進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),確定影響因子與響應(yīng)值之間的關(guān)系。通過(guò)方差分析得到回歸模型中各響應(yīng)值的線性項(xiàng)、二次項(xiàng)和交互項(xiàng)的顯著性,從而得出各響應(yīng)值對(duì)應(yīng)的二