基于FLUENT的波節(jié)管換熱器性能數(shù)值仿真及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化.pdf

1、隨著社會(huì)的發(fā)展與人們生活水平的提高，人類對(duì)能源需求的日益劇增與地球資源的日益枯竭這一矛盾正在不斷加劇。開發(fā)各類高效換熱器合理高效地使用能源，是緩和這一矛盾的主要途徑之一。波節(jié)管換熱器是一種新型的換熱器，擁有較好的強(qiáng)化傳熱性能。本文以波節(jié)管換熱器為研究對(duì)象，運(yùn)用FLUENT軟件從流動(dòng)特性和傳熱特性兩個(gè)方面出發(fā)對(duì)波節(jié)管換熱器的管程和殼程進(jìn)行仿真模擬。本文的主要研究工作包括：
　　 第一，采用CFD數(shù)值模擬方法，以水為介質(zhì)對(duì)波節(jié)管管程

2、進(jìn)行3D全管長(zhǎng)建模仿真。流動(dòng)特性方面，將波節(jié)管管程的速度場(chǎng)、速度矢量圖、流線圖和壓力場(chǎng)與對(duì)應(yīng)型號(hào)的光管進(jìn)行對(duì)比分析，研究波節(jié)管的強(qiáng)化機(jī)理。研究表明，由于波節(jié)管流道截面的膨脹與收縮使得其對(duì)稱截面上的速度云圖呈周期性分布且在各個(gè)波峰內(nèi)形成了漩渦狀的回流區(qū)。波節(jié)管管程的壓力損失遠(yuǎn)大于光管，這表明波節(jié)管傳熱性能的提高是以阻力的增大為代價(jià)的；傳熱特性方面，將波節(jié)管管程的溫度場(chǎng)與光管進(jìn)行對(duì)比，研究了波節(jié)管的局部Nu數(shù)分布，并將相同工況下兩種換熱管的

3、平均Nu數(shù)進(jìn)行對(duì)比。本文發(fā)現(xiàn)，局部Nu數(shù)的最小值和最大值分別出現(xiàn)在波峰上游處和收縮段尾部，且在相同工況下波節(jié)管的平均Nu數(shù)高于光管，但強(qiáng)化性能隨著Re數(shù)的增加而逐漸減弱。
　　 第二，對(duì)無折流板殼程KC_BJG32、KC_GG_W和折流板殼程KC_GG_Y進(jìn)行仿真分析。流動(dòng)特性方面，將三個(gè)殼程的速度場(chǎng)、速度矢量和壓力場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明，折流板是影響殼程流動(dòng)特性最主要的因素，折流板的引入很大程度上改善了殼程的流動(dòng)狀況，但壓力

4、損失也急劇增大；傳熱特性方面，對(duì)比了三個(gè)殼程的溫度場(chǎng)，并以“單位壓降下的熱流量”為評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)對(duì)三個(gè)殼程進(jìn)行綜合性能評(píng)定。研究表明，無折流板殼程KC_BJG32和KC_GG_W的溫度分布基本相同，前者略好于后者，但都不如折流板殼程KC_GG_Y換熱充分。而由于壓降的急劇增大，KC_GG_Y的綜合性能反而最差，KC_BJG32的綜合性能最好。
　　 第三，以波節(jié)管幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)D1、S1、S2、S為變量設(shè)計(jì)3個(gè)系列共15根波節(jié)管進(jìn)行結(jié)構(gòu)

5、優(yōu)化分析。研究表明，波深D1和波長(zhǎng)S是影響波節(jié)管強(qiáng)化性能最重要的兩個(gè)幾何參數(shù)，引入無量綱波節(jié)管幾何因子ε0=(D1-D2)/S將兩者聯(lián)系起來。仿真結(jié)果表明當(dāng)ε0=0.280左右時(shí)，波節(jié)管的強(qiáng)化性能最好。
　　 第四，將仿真結(jié)果光管管程壓降△P、光管平均Nu數(shù)、折流板殼程壓降△P'分別用《換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)》中推薦的工程經(jīng)驗(yàn)公式和流體力學(xué)中的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式進(jìn)行計(jì)算對(duì)比。結(jié)果表明三者的最大偏差分別為：13.5％，22.57％，13.81％，