外凸式螺旋波紋管流動與傳熱特性的數(shù)值模擬研究.pdf

1、能源是一個國家的經(jīng)濟命脈,與人民的生產(chǎn)水平和生活環(huán)境息息相關(guān),在整個社會中起著舉足輕重的作用。隨著各國經(jīng)濟的快速發(fā)展,能源緊缺已經(jīng)成為當(dāng)今世界面臨的關(guān)鍵問題。換熱器是工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中不可或缺的設(shè)備,開發(fā)緊湊型和高效型的新型換熱設(shè)備成為解決能源問題的重要方法之一。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。針對外凸式螺旋波紋管進行了如下研究:
　　(1)應(yīng)用CFD軟件中的二維軸對稱模型和三維模型針對光管進

2、行了數(shù)值計算和網(wǎng)格無關(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)驗公式對比,驗證了數(shù)值模型的正確性。另外,相比于三維模型二維軸對稱模型可以在幾乎不損失計算精度的前提下有效的減少計算量。
　　(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三個結(jié)構(gòu)參數(shù)對其性能指標(biāo)的影響規(guī)律,并且與波節(jié)管和光管的傳熱性能進行了對比分析。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)針對外凸式螺旋波紋管的流動和傳熱參數(shù)(速度場、溫度場、壓力場、湍動能以及湍動能耗散率)進行了深入研究,揭示了其強化換熱機理,并且與波節(jié)管和光管的流動和傳熱機理進行了對比分析?？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對流動和傳熱性能參數(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)形成一個脫體渦旋,這個渦旋會破壞流體的速度邊界層和熱邊界層,而且增加了流體內(nèi)部的湍流強度和熱量擴散能力,起到了明顯的強化換熱效應(yīng)。
　　(4)本文采用響應(yīng)曲面法對外凸式螺旋波紋管進行優(yōu)化設(shè)計,確定影響因子與響應(yīng)值之間的關(guān)系。通過方差分析得到回歸模型中各響應(yīng)值的線性項、二次項和交互項的顯著性,從而得出各響應(yīng)值對應(yīng)的二