螺旋椭圆扭曲管强化换热研究

中图分类号：TK124螺旋椭圆扭曲管强化换热研究工程热物理张银潇李科群副教授二○一一年二月学校代码：10252学号：08270024上海理工大学硕士学位论文螺旋椭圆扭曲管强化换热研究姓名张银潇学院能源与动力工程学院专业工程热物理研究方向强化传热及高效换热器指导教师李科群副教授学位论文完成日期2011年2月UniversityofShanghaiforScienceandTechnologyMasterDissertationHeattransferenhancementstudyofspiralovaltwistedtubeNameZhangYin-xiaoDepartmentSchoolofEnergyandPowerEngineeringSpecialtyEngineeringThermophysicsResearchDirectionEnhancedHeatTransferandHighEfficiencyHeatExchangersSupervisorAssociateProfessorLiKe-qunCompleteDataFebruary2011学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学位论文保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。允许论文被查阅和借阅。本人授权上海理工大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于学位论文作者签名：指导教师签名：年月日年月日保密年□不保密□声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名：年月日摘要在能源、动力、化工、冶金、机械、交通、航空与航天等领域里的热力过程中，换热器是非常关键的设备。随着世界能源危机的出现，促进了换热器强化传热技术的发展，不断开发出了适用于不同工业要求的高性能换热设备。螺旋椭圆扭曲扁管换热器就是根据现代化生产要求而产生的，在传统管壳式换热器的基础上开发出来的一种新型高效节能的换热器。本文主要通过CFD数值模拟与实验研究，对螺旋椭圆扭曲管换热器与圆管换热器的传热和流动阻力特性进行了系统研究。对螺旋椭圆扭曲管换热器的管、壳程的传热与流动性能，运用了对流传热的场协同原理和流路分析法进行了分析。通过运用Fluent数值模拟方法，研究了直椭圆管，单向螺旋椭圆扭曲管与双向螺旋椭圆扭曲管的传热与流动阻力特性。在数值模拟研究的基础上，通过实验，研究了单向螺旋椭圆扭曲管换热器与圆管换热器的管、壳程的传热与流动阻力特性。本文研究发现螺旋椭圆扭曲管换热器管程和壳程流体均在垂直于主流方向产生了二次流动，降低了流体的温度边界层厚度，增强了流体的湍流度，强化了流体主体与边界层之间的质量和热量交换。本文的Fluent数值模拟的结果表明，当螺旋椭圆扭曲管换热器管程Re小于6000时，其管程强化传热综合性能较佳。本文试验结果分析得知，螺旋椭圆扭曲管换热器壳程传热性能与阻力损失随着Re的增大而增大，不过在Re小于3800多的时候，螺旋椭圆扭曲管壳程综合性能评价指标ok/ΔP值，随着Re的增大而增大；然而Re超过3800时，螺旋椭圆扭曲管换热器的壳程综合性能评价指标ok/ΔP值随着Re的增大而减小，且减小得越来越快。关键词：数值模拟强化传热试验研究螺旋椭圆扭曲管换热器ABSTRACTTheheatexchangeriscriticalequipmentinthethermalprocessofenergy,power,chemical,metallurgy,machinery,transportation,aviationandaerospacefields.Theworldenergycrisisenhancedtheeffectofheattransfertechnologyinheatexchanger.Manyhigh-performanceheattransferequipmentsusedinvariousindustrialprocessesarecontinuouslydeveloped.Thespiralovaltwistedtubeheatexchangerwhichisanewsavingenergyefficientheatexchangercanbesuitabletotherequirementsofmodernindustries.Itwasdevelopedfromthetraditionalshellandtubeheatexchanger.Inthisthesis,wesystematicallystudytheflowresistancecharacteristicsandheattransferperformanceofthespiralovaltwistedtubeheatexchangerandroundtubeheatexchanger,whichwasmainlyconductedbyCFDnumericalsimulationandexperimentalmethods.Fieldsynergyprincipleandstreamanalysismethodwereappliedintheresearchofheattransferandflowfrictionpropertiesinbothtube-sideandshell-sideofspiralovaltwistedtubeheatexchangers.Thestudyofthestraightovaltube,one-wayandtwo-wayspiralovaltwistedtube’sheattransferandflowresistancewasconductedbyFluentsoftware.Theexperimentalstudyofone-wayspiralovaltwistedtube’stube-sideandshell-sidestateofheattransferandflowresistancewasconductedbasedonthenumericalsimulation.Inthispaper,themainresearchworkfoundthatbothoftubesideandshellsideoffluidinaspiralovaltwistedtubeheatexchangeraregeneratedthesecondaryflowperpendiculartothedirectionofthemainstream.Theboundarylayerthicknessofthetemperatureandfluidwasreduced;thefluidturbulencewasenhanced;theexchangermassandheatbetweenbodyandfluidboundarylayerwasstrengthened.ThisFluentsimulationresultsshowthatReoftubesideinspiralovaltwistedtubeheatexchangerlessthan6000,itsoverallheattransferperformanceprocessisbetter.Theresultshowedthat,thespiralovaltwistedtubeheatexchanger’sheattransferperformanceandpressurelosswillincreasewiththeincreaseofRe;whileReislowerthan3800,theindicatorsofshellsideoverallperformance,ko/ΔPvalueswilldecreasewiththeincreaseofRe;thereductionbecomesfasterandfaster.KEYWORDS：Numericalsimulation,Heattransferenhancement,Experimentalresearch,Spiralovaltwistedtubeheatexchanger目录摘要ABSTRACT目录第一章绪论................................................................................................................1§1.1前言...................................................................................................................1§1.2强化传热及其发展...........................................................................................2§1.2.1强化传热概述.........................................................................................2§1.2.2强化传热评价准则.................................................................................4§1.3五种典型强化换热管介绍...............................................................................5§1.3.1螺旋槽管.................................................................................................5§1.3.2螺旋凹槽管.............................................................................................5§1.3.3波纹管.....................................................................................................6§1.3.4内翅管.....................................................................................................7§1.3.5螺旋椭圆扭曲管.....................................................................................9§1.4换热器的常用的研究方法.............................................................................10§1.4.1换热器的理论分析法...........................................................................10§1.4.2换热器的试验研究方法.......................................