扭曲管換熱器數(shù)值模擬及參數(shù)優(yōu)化研究.pdf

1、扭曲管是一種高效強化換熱管，其橢圓形截面連續(xù)扭轉(zhuǎn)形成螺旋流道，流體旋轉(zhuǎn)流動，在橫截面上形成二次流。扭曲管換熱器在殼程形成自支撐結(jié)構(gòu)，流體沿縱向螺旋流動，增強了流體混合和湍流強度，工程應(yīng)用價值很高。采用數(shù)值模擬方法，對扭曲管換熱器管程和殼程的傳熱與流阻特性進(jìn)行研究，最后提出兩種異型扭曲管。本文主要內(nèi)容和結(jié)論如下:
　　(1)扭曲管單管數(shù)值模擬與參數(shù)優(yōu)化。首先確定了優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo)，利用數(shù)值模擬方法進(jìn)行單因素分析確定了優(yōu)化計算的變量約束

2、空間。利用Workbench仿真平臺對扭曲管進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，結(jié)果表明內(nèi)長半軸a比導(dǎo)程S對綜合評價指標(biāo)η的影響要大，在S取78～105mm與a取10.2～10.68mm時進(jìn)行參數(shù)組合，強化傳熱效果較好。通過流場、溫度場、二次流、局部Nu及場協(xié)同角分析了管內(nèi)強化傳熱機理。根據(jù)540組計算結(jié)果，擬合了扭曲管單管Nu和f的準(zhǔn)則關(guān)系式。
　　(2)扭曲管換熱器殼程傳熱與流阻特性數(shù)值研究。采用六邊形筒體，分析了殼程流體流動的情況，溫度分布的特點

3、，表明殼程流體周期性的旋轉(zhuǎn)流動和扭曲管長軸支撐處的尾流都對殼程傳熱起到強化作用，導(dǎo)流筒能有效防止殼程短路。比較幾何結(jié)構(gòu)對殼程傳熱和流阻的影響，結(jié)果表明導(dǎo)程S減小或外長半軸a0增加，Nu和f都增加，a0對Nu和f的影響較S大。同時根據(jù)128組計算結(jié)果擬合了扭曲管換熱器殼程Nu和f的準(zhǔn)則關(guān)系式。
　　(3)提出兩種異型扭曲管并研究其傳熱與流阻特性。對于雙向扭曲管，分析了幾何參數(shù)對其綜合評價指標(biāo)η影響，并與扭曲管進(jìn)行了對比，表明雙向扭曲

4、管η要高于扭曲管，仍是在Re小于20000時具有較好的強化效果，最后進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化，在S取100～130mm與a取10.15～10.45mm時進(jìn)行參數(shù)組合，強化傳熱效果較優(yōu);對流場和二次流進(jìn)行分析，表明流體旋轉(zhuǎn)流動的方向周期性改變進(jìn)一步強化了對流傳熱。對于螺旋內(nèi)肋扭曲管，分析了肋高e、肋數(shù)N、a和S對其傳熱和流阻特性的影響，采用低肋和較少肋數(shù)，a越大，S越小，η越大，且S對η的影響最大;相比之下螺旋內(nèi)肋扭曲管在Re取2300～50000