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[博士论文] 周瑞睿
热能工程 大连理工大学 2018(学位年度)
摘要:辐射是三种基本的传热模式之一,广泛存在于工业、军事和医学等许多领域。辐射的行为可由微积分形式的辐射传递方程描述,辐射传递方程的准确求解是理论分析辐射传热过程的前提。在轴对称系统的辐射传热研究中,采用圆柱坐标系可以简化问题。然而,目前圆柱坐标系下的辐射传递方程求解方法,如常用的离散坐标法,存在计算代价高、计算精度低等问题,在圆柱坐标系下开发高效精确的求解方法仍是亟需解决的难题。配置点谱方法是一种对光滑函数具备无穷阶收敛精度的方法,已经广泛应用于各类流动传热问题的分析中,最近在直角坐标系下的辐射传热求解中也逐渐得到关注。
  本文首先导出了配置点谱方法的显式表达式以减少其实施难度,并基于Schur分解法发展了高效的矩阵迭代求解器,为顺利开发圆柱坐标系下辐射传递方程的配置点谱方法求解器奠定了基础,也为今后圆柱系统中的辐射流体力学、辐射磁流体力学不稳定性分析等提供了技术支撑。
  其次,通过采用配置点谱方法求解与角向无关的辐射微积分传递方程构造了一维圆柱下的基准解,提出分段积分结合插值的方式处理被积函数的不光滑。结果表明,该方法可以高效获得超过七位有效数字的基准解,当前基准解构造效率明显优于其它方法。
  再次,依托基准解分别研究了影响圆柱坐标系下辐射传递方程配置点谱方法和离散坐标法求解精度的因素。结果表明,配置点谱方法的精度严重取决于方程形式和径向节点离散方式等因素,非守恒形式的控制方程结果精度远优于守恒形式,径向离散则应当选取直径而非半径作为计算区间。离散坐标法的精度则取决于极点条件和离散坐标方向的选取等因素,文献中常认为更加优越的轴对称极点条件事实上误差大于对应于镜面反射的极点条件,离散坐标方向选择通过立体角中心要优于其它方案。
  然后,以离散坐标法作为对照,考虑多种参数的影响,评价了配置点谱方法的性能。结果表明,配置点谱方法的稳定性和离散坐标法相同,两种方法的精度都随壁面发射率的减少和光学厚度的增加而降低。同等网格下,配置点谱方法的计算代价和精度都高于离散坐标法。同等精度下,配置点谱方法的计算代价和网格需求都低于离散坐标法。
  最后,对比研究了一维和二维情况下配置点谱方法和离散坐标法的性能变化。结果表明,一维时,两种方法的精度分别为五阶收敛和二阶收敛。而二维时,两种方法都可能遭受严重的射线效应,解析求解壁面相关辐射强度可以有效避免射线效应。但即便无射线效应的情形,二者的精度都衰退严重,并分别降为二阶收敛和一阶收敛。
  综上所述,配置点谱方法是求解圆柱坐标系下辐射传热时可供选择的一种方法,其优于传统的离散坐标法,但用于研究高维问题时已经不具备高阶收敛,还需进一步改进。
[博士论文] 郑毅
化学工程 大连理工大学 2018(学位年度)
摘要:薄液膜蒸发换热,具有传热温差小、热流密度高、传热系数高、均温性好、结构简单和动力消耗低等优点,被大量应用在石油、化工、制药、海水淡化、航天等领域。其中,水平管降液膜蒸发技术因具有传热效率高、耐结垢以及可利用低品位余热等优点,广泛应用于大型工业生产中,是解决能源消耗大、排放污染物严重等问题的一种高效换热技术。近年来,随着对于环保和节能要求日益提高,利用低流量、小温差实现高效换热已经越来越受到学者的重视。低喷淋密度下的水平管降液膜蒸发,是一个伴随中液滴与液膜相互作用、相互影响的分区特征显著的复杂的界面演化过程。因此,深入认识降液膜蒸发过程中的液滴和液膜的分区特性以及其对传热特性的影响,对进一步探究降液膜蒸发的低喷淋密度传热控制机理和高效传热强化技术的开发具有十分重要的意义。
  为此本文聚焦于低喷淋密度下水平管降液膜蒸发全过程,通过理论分析,获得低喷淋密度下影响蒸发传热性能的关键因素;结合力平衡模型建立了水平管降液膜最小喷淋密度理论模型;并通过引入部分润湿表面的液膜厚度计算公式,提出低喷淋密度下利用亲水改造实现蒸发传热性能强化的新方法;利用氧化刻蚀法制备了两种润湿性不同的亲水表面:超亲水与一般亲水表面,观察了不同亲水表面的管间流型,测定了最小喷淋密度,最后通过引入了修正因子获得了与实验结果吻合良好的最小喷淋密度关系式。
  通过数值模拟,建立了普适的超亲水表面三维模型降液膜模型,实现了间断液滴和连续液液柱的准确再现。着重分析了超亲水表面滴状流和柱状流的铺展特性和涟漪波动特性,揭示了马鞍形液膜和相邻液柱撞击区的“相互作用环”形成原因;考察了喷淋Re数对液膜厚度和铺展速度的影响,发现喷淋Re数对滴状流液膜厚度和铺展特性影响不大,而对柱状流影响显著;探讨了三维液膜的轴向和周向液膜厚度演化规律,结果表明在轴向上柱状流液膜呈波谷-波峰-波谷的分布形式,液膜厚度在中间汇聚区取得极值,在整个圆周角变化范围内,液膜厚度都几乎出现了翻倍现象。
  利用高精度红热像仪对低喷淋密度下超亲水表面水平管降液膜表面的温度分区和波动特性进行了研究,分析了喷淋密度、初始液膜温度以及加热功率对不同流型表面液膜温度分布的影响。结果表明,超亲水表面滴状流液膜温度呈现周期性分布,分为撞击区和非撞击区,撞击区和非撞击位置并不固定,存在明显变化周期,非撞击区液膜温度基本不变,撞击区液膜温度升温明显,且温升主要发生在铺展液膜达到最大后,撞击区内部存在高温环状结构,其比主体温度高0.3-0.6K左右;柱状流液膜温度呈现均匀分布,在相邻液柱交汇区存在明显的低温区分界线,较主体低0.2K左右;处于中间的过渡流型具有两种温度分布—均匀分布和周期分布共存。换热管表面的温度波动周期随喷淋密度和初始液膜温度的升高降低,波动强度随喷淋密度的升高存在一个显著下降区间,其对应流型从滴状流到滴柱过渡流的转换。
  结合红外示踪技术和统计学分析研究了超亲水表面低喷淋密度多液滴间的空间传递规律。发现液滴的产生并不是随机的,而是存在一定周期性,同时这种典型的周期性并不出现在全部范围内,只是在少数几个特殊流量才存在,重复单元数目随流量的增加而降低;利用能量最小理论和统计学分析获得了形成液滴周期性出现的原因,并给出了相关预测模型,与实验结果吻合良好,并基于此构建非稳态流动下的液膜厚度分布图。
  最后设计并搭建了水平管降液膜蒸发实验平台,考察了润湿性对水平管降液膜蒸发传热的作用机制,研究了喷淋密度、入口流量、入口温度和饱和温度等对传热性能的影响。结果表明,在低喷淋密度下超亲水表面传热系数高于亲水表面和光滑铜管,且在较宽的范围内具有良好的耐受性,最大约为光管表面的4倍,从而利用超亲水表面实现低喷淋密度下的传热强化,为新型强化换热表面的设计和开发提供了理论指导和实验基础。
[硕士论文] 管国祥
供热、供燃气、通风及空调工程 兰州交通大学 2018(学位年度)
摘要:自然对流换热过程广泛存在于各种工业生产及工艺处理中。其中,对侧壁加热封闭腔内自然对流传热特性的研究有诸多的工业需求,相关的研究一直以来是流动与传热领域的热点。在封闭腔内壁上布置翅片,通过影响边界层结构及发展来模拟封闭空间中电子元器件的冷却问题,对于优化工业设计、延长电子元器件的使用寿命具有重要的研究价值。本文基于这样的工程应用背景,就封闭腔内侧壁布置矩形翅片的数量、位置、材质、内置热源等对腔内自然对流与辐射耦合传热的综合影响进行了研究(Ra=1.58×109)。本文所做的主要工作如下:
  (1)利用IFA300型热线风速仪和热电偶同时测试测点的平均速度和平均温度,获得自壁面向腔体核心区速度和温度分布随高度的变化情况,结果表明:平均温度随高度的增加而逐渐升高,速度边界层和温度边界层沿壁面向上逐渐变厚。
  (2)数值分析了单个导热翅片和绝热翅片位于热壁面不同位置时对腔体内部对流和传热的影响。结果表明:封闭腔内无热源和有内置热源两种情况下,导热翅片位于自底面沿热壁面向上1/3高度处时,热壁面平均Nu数最大,壁面与腔体内部的传热效率最高,腔体内部流体的对流换热能力最强;绝热翅片位于自底面沿热壁面向上1/6高度处时,热壁面平均Nu数最大,壁面与腔体内部的传热效率最高,腔体内部流体的对流换热能力最强。
  (3)在热壁面、冷壁面分别布置一个翅片,数值分析了翅片位置、翅片材质对腔体内部对流和传热的影响。结果表明:封闭腔内无热源和有内置热源两种情况下,无论导热翅片还是绝热翅片,当翅片位于热壁面1/3高度处、冷壁面2/3高度处时,热壁面平均Nu数最大,壁面与腔体内部的传热效率最高,腔体内部流体的对流换热能力最强。
  (4)导热翅片位于热壁面1/3高度处时,随着壁面发射率增大,腔体半宽度处沿高度方向竖向速度变化幅度增大,腔体半高度处冷壁面附近水平速度变化不大,但热壁面附近水平速度逐渐变大;辐射对腔体半宽度处沿高度方向水平速度、平均温度的分布影响很微弱,但与不考虑辐射的情况相比,水平速度在顶面和底面附近的波谷值和波峰值相对较大,平均温度在底面附近明显升高;考虑辐射时热壁面下部区域的局部剪应力比不考虑辐射时要小。随着壁面发射率的增大,热壁面上部区域局部剪应力逐渐增大,且增大的幅度逐渐变小。当壁面发射率分别为0、0.3、0.6和0.9时,热壁面平均Nu数分别为84.14、117.75、158.65和206.12。
  (5)热壁面1/3高度处、冷壁面2/3高度处各布置一个导热翅片时,壁面发射率为0.6情况下,腔体半宽度处正的竖向速度较不考虑辐射时有明显的提高;当壁面发射率为0.9时,腔体半宽度处负的竖向速度较不考虑辐射时有明显的提高;考虑辐射时,腔体半宽度处沿高度方向水平速度、平均温度变化趋势基本一致,但与不考虑辐射的情况相比,水平速度在顶面和底面附近的波谷值和波峰值相对较大,底面附近的平均温度有明显升高的趋势;不同壁面发射率时腔体半高度处沿水平方向竖向速度、水平速度的变化趋势基本一致;考虑辐射时热壁面下部区域局部剪应力比不考虑辐射时要小,上部区域局部剪应力相对较大;当壁面发射率分别为0、0.3、0.6和0.9时,热壁面平均Nu数分别为88.17、124.40、165.16和212.69。
  本文初步研究了矩形翅片位置和数量、内热源、翅片材质以及壁面发射率对封闭腔内空气湍流自然对流传热特性的影响,但是要获得准确、实用的研究结果,还需做进一步的实验研究工作。
[硕士论文] 魏昕辰
动力工程及工程热物理 北京化工大学 2018(学位年度)
摘要:应力分类法是当前应用较为广泛的分析设计方法,规范中清楚地定义了一次应力和二次应力,但是只凭借等效线性化的方法去处理应力分布曲线无法将一次应力和二次应力区分开,一次结构法能够很好地解决这个问题。基于ANSYS的一次结构法在平面模型中的应用已经趋于成熟,但其在三维结构上的研究仍是空白,目前尚未发现文献提及。本文研究将一次结构法的应用推广至三维结构有了突破性的进展,对当前讨论较多的圆柱壳开孔接管的应力情况进行分析,并给出新的校核方法。
  首先,本文以封头-内伸接管结构为例,介绍一次结构法在平面模型中的应用步骤和分析方法,介绍运用该方法正确地判断应力的来源、作用和性质,并做出合理的应力分类。
  其次,以椭圆封头-接管三维结构为调试模型,提出适用于三维模型的约束方程并验证其正确性。应用一次结构法对圆柱壳开孔接管进行应力分析,结果表明其原始结构是更合理的一次结构,连接环内壁处的最大薄膜加弯曲应力是一次应力,根据本文分析结果对圆柱壳开孔接管的校核标准进行修正,并采用新的许用极限进行应力校核和结构改进。
  最后,按工程项目中的校核方法对某卡箍式容器炉体上各接管的强度进行评定,强度满足要求。但使用修正后的校核准则评定后发现H1接管强度不满足要求,需要重新设计尺寸。接着通过构建炉体的一次结构,对内外壳体及靠近法兰侧的接管进行应力分类和评定。
[硕士论文] 王薪
动力工程及工程热物理 北京化工大学 2018(学位年度)
摘要:螺旋缠绕波纹管换热器是将波纹管这种高效换热管应用到普通缠绕管换热器中,使得两种结构的优点充分发挥。这种新型换热设备除了强化传热特点以外,螺旋缠绕波纹管截面的周期性扩张和收缩可以使管内的污垢减少,同时单位体积的换热管可以获得更大的换热面积,使得设备紧凑,节省空间等等。但是由于目前这种换热器的应用还很少,各方面研究还有待深入。本论文以螺旋缠绕波纹管换热器为研究对象,对换热器管板的强度和流体的换热性能进行以下方面的研究,主要工作及创新点如下:
  (1)利用有限元分析软件ANSYS建立了包括螺旋缠绕管在内的整体换热器模型,对缠绕管换热器管束的支撑作用进行了数值分析,结果发现管束对管板的支撑作用可以忽略不计。为进一步分析缠绕管的轴向刚度,本文还定义且拟合出了螺旋缠绕换热管弹性模量等效系数的关联式。
  (2)利用分析设计的方法对缠绕管换热器管板的应力强度进行了数值计算,结果发现管板最大应力出现在管板边缘的圆弧过渡段,而管板其他部位的应力很小;在对管板进行轻量化设计的过程中发现中心部位的弯曲应力随着管板减薄而增大的趋势比较明显。
  (3)运用FLUENT软件对螺旋缠绕波纹管和螺旋缠绕圆管管内流体的流动状态及强化传热的特性进行了研究比较,对比两种换热管内部流体的流线云图、管壁面换热量云图、管横截面的温度云图、管横截面的湍流强度云图及管壁平均努赛尔数发现,螺旋缠绕波纹管管内流体的湍流强度更加剧烈,流体混合程度更加充分,传热效果优于螺旋缠绕圆管。
  (4)就螺旋缠绕波纹管的结构参数对管内传热的影响进行了单因素分析,结果表明:增大波纹管直径d、减小缠绕半径R、增大波高h、减小波距P均有利于管内流体的传热。并且通过正交试验的方法对螺旋缠绕波纹管的结构参数进行综合分析,分析后得出直径d对管内传热影响最大,其次是波距P、波高h和缠绕半径R,缠绕螺距S对管内传热影响最小,基本可以忽略不计,并且得到了模拟范围内结构参数的最优组合。另外还拟合了螺旋缠绕波纹管管内流体传热努赛尔数的关联式。
  (5)对螺旋缠绕波纹管换热器壳程流体的传热特性进行了数值模拟,并且通过单因素分析和正交试验分析研究了结构参数对壳程传热的影响,结果表明:影响壳程换热最大的因素为换热管直径d,然后是缠绕半径R和螺距S,影响最小的是波距P和波高h;在设计换热器时,采用较小直径、缠绕半径和波高、较大螺距和波距的螺旋缠绕换热管对壳程换热效果最佳。
[硕士论文] 温士杭
动力工程及工程热物理 北京化工大学 2018(学位年度)
摘要:在工业过程设备中,换热器占有举足轻重的地位。随着社会的不断进步以及自然资源的日趋枯竭,人们对节能环保提出了更高的要求。同时,为了进一步提高传热效率,高效换热器得到了广泛的应用,高效换热管作为高效换热器的重要组成部件也得到了更大关注。高效换热管是由光滑圆管轧制而成,其具有周期性变化的波纹或内外翅片结构。由于结构异于光滑圆管,高效换热管具有较高的传热效率。国内外学者对高效换热管的传热性能已经做了很多研究,但是为了保证高效换热管在使用过程中的安全性,对其力学性能的研究也尤为重要。本文针对缩放管、螺旋槽管、T型翅片管、菱型翅片管以及螺纹管这五种高效换热管的轴向刚度、承载能力、疲劳性能、金相组织和残余应力进行完整性研究,主要内容如下:
  (1)运用有限元模拟和实验验证相结合的方法,对五种高效换热管的轴向刚度进行研究。首先数值模拟在轴向拉伸载荷作用下五种管型的轴向变形情况,计算出其轴向刚度,并与同规格的光滑圆管刚度进行对比,定义出刚度等效系数。其次研究高效换热管各项结构参数与刚度等效系数之间的关系,拟合相应的计算公式。最后通过轴向拉伸实验,对所拟合公式进行验证。
  (2)对轴向拉伸载荷作用下五种高效换热管的轴向、环向、径向应力进行数值计算,得出管壁中的应力分布规律,并考察高效换热管结构参数变化对各向应力的影响。将五种管型的各向应力与同规格的光滑圆管在相同载荷下受到的轴向应力进行对比,定义高效换热管应力增大系数,并以高效换热管结构参数为变量拟合应力增大系数关系式,为高效换热管的工程应用和强度评定提供参考。
  (3)对五种高效换热管及光滑圆管进行疲劳拉伸实验、金相分析实验和残余应力分析实验,考察高效换热管轧制前后抗疲劳性能以及金相组织和表面残余应力的改变情况,为高效换热管安全评定以及制定高效换热管的轧制工艺提供参考。
[硕士论文] 赵桐
动力工程及工程热物理 北京化工大学 2018(学位年度)
摘要:板式换热器作为换热设备的重要类型之一,在工业中的应用越来越广泛。决定板式换热器性能最主要的结构因素之一是其板片的形式,利用有限元方法对板式换热器进行分析是目前最常用的手段之一。本论文采用有限元分析的方法,对斜方格板片结构的板式换热器进行流体流动和传热性能模拟,并在此研究基础上提出一种新型板片结构。主要内容如下:
  (1)以斜方格板式换热器为研究对象,利用有限元分析的方法,建立了板片间的冷热双流道的有限元模型,得到相应的计算结果,并将其与实验结果进行了对比,二者的误差在合理范围内,表明有限元模拟方法对板式换热器中的流体流动和传热分析是可信的。
  (2)研究了几何结构参数及其相互作用对斜方格板式换热器传热性能及流动特性的影响。采用正交实验分析得到了具有较好传热、流动和综合性能参数的最佳结构参数组合。
  (3)以传热性能与流动阻力为研究目标,以斜方格板式换热器为基础,开发了一种新型的菱形板式换热器。分别以传热系数、压降、综合性能指数和强化换热指数作为参照对象,将菱形板式换热器与原斜方格板式换热器进行了对比分析。结果发现相比于斜方格板式换热器,新型板片结构的传热系数在某些结构参数的组合下会更高,但压降也显著提高。二者可以分别适用于不同的工况。
[博士论文] 何立臣
动力工程及工程热物理 北京化工大学 2018(学位年度)
摘要:管壳式换热器作为工业生产中的重要换热设备,广泛应用于石化、电力、冶金等领域,其换热性能的优劣直接影响到能源的使用效率。然而在实际应用过程中,换热器换热强度较低,换热表面结垢严重,造成了大量的能源浪费,给相关企业带来了巨大的损失。对此,国内外学者相继开发了如翅片管、波纹管、螺旋线圈、涡流发生器、螺旋扭带、组合转子等诸多的强化传热技术,以期提高换热设备的换热能力,抑制污垢沉积,实现节能降耗。其中,组合转子因兼具强化传热及在线自清洁的双重特性而拥有十分广阔的应用前景,但由于对其转动及扰流等基础特性认识不清以及对其强化传热及抗垢特性研究不足,其应用受到了极大的限制。
  本文综述了国内外各强化传热技术的研究进展,指出了各强化传热技术在抗污垢方面研究的不足;然后以组合转子为研究对象,采用实验及数值模拟的方法对其转动及扰流等基础特性和强化传热及抗垢特性开展了深入的研究,以期为组合转子强化传热及自清洁技术的工业应用奠定理论和技术基础。
  此外,本文结合组合转子在管壳式换热器强化传热及自清洁方面的独特优势,创造性地提出了将其应用于管式光生物反应器对微藻进行培养的方案,同时基于此设想开展了组合转子优化管式光生物反应器性能的初步研究,以期改善管式反应器固有的混合传质性能差、微藻附壁生长等问题,从而提高微藻的培养效率。本文主要研究工作如下:
  (1)组合转子基础特性研究
  首先介绍了转速测量的原理和方法,然后基于周期法的测速原理开发了组合转子转速测定装置,搭建了相应的转速测定实验台,相继考察了转子在管内所处轴向位置、管内流量、转子的导程、转子的外径以及转子的叶片数等因素对转子转速的影响规律,通过非线性曲面拟合得到了各类转子转速的实验关联式;接下来介绍了PIV(Particle Image Velocimetry,粒子图像测速)技术及其工作原理,然后搭建了PIV实验台,利用PIV技术对组合转子扰流作用下的管内的流场进行了实验研究,分别获得了横截面和纵截面内的速度场,分析了管内的湍流强度和径向速度变化情况,对比了转子的导程和叶片数对流场的影响,最后基于管内的流场情况对组合转子强化管内传热传质及混合的机理进行了总结。
  (2)组合转子强化传热及抗垢特性研究
  首先利用Gnielinski和Filonenko经验公式对强化传热综合性能实验台进行了校核,然后利用该实验台对新的孔型、圆槽型及切口型螺旋两叶片转子开展了湍流区的强化传热及阻力特性实验,分别获得了各新型转子的努塞尔数Nu、阻力系数f及综合评价因子PEC与雷诺数Re间的关联关系,分析了新型螺旋两叶片转子的综合强化传热性能;接下来对数值模拟方法尤其是湍流数值模拟方法进行了介绍,然后利用ANSYS FLUENT分别模拟了光管及螺旋两叶片转子管内CaCO3析晶污垢的沉积过程,验证了模拟方法的准确性,得到了螺旋两叶片转子管内污垢的沉积率、剥蚀率、净存速率及污垢热阻随时间的变化关系,揭示了螺旋叶片转子的强化传质及抗垢特性。
  (3)组合转子在微藻培养中的应用研究
  首先利用ANSYS FLUENT分别对光管及内置螺旋叶片转子管内的流场和微藻细胞的运动轨迹进行了数值模拟,分析了内置螺旋叶片转子管内的混合情况以及微藻细胞的受光特性;然后搭建了管式光生物反应器实验装置,开展了小球藻的对比培养实验,探究了螺旋叶片转子对管式光生物反应器培养小球藻的影响。
  综上,本文对组合转子的转动及扰流等基础特性、组合转子的强化传热及抗垢特性进行了较为系统地研究,旨在为组合转子强化传热及自清洁技术的工业推广应用提供理论和技术参考;同时,本文也对组合转子用于微藻培养开展了初步的研究,以期优化管式光生物反应器的性能,提高微藻培养效率,从而为实现微藻的规模化培养以及微藻生物质能的开发及利用提供新的方法和可能。
[硕士论文] 申亚丽
动力工程及工程热物理 北京化工大学 2018(学位年度)
摘要:本文针对单相水为工质的水平圆型管道实验段进行等比例建模,采用ICEM软件对几何模型构建六面体全结构化网格;以FLUENT平台上提供的模型为基础,依据水平管道的摇摆运动方式构造非惯性坐标系下的外力模型,以此建立适用于摇摆条件下水平管道内单相水流动与传热的数理模型。根据理论分析添加动量源项,编写自定义函数,并将摇摆运动规律与动量源项表达式加载到FLUENT接口上。对摇摆条件下水平圆管开展了三维非稳态数值模拟研究,分别采用具有时均化方法的两方程k-ε模型、七方程RSM模型、以及具有非时均化方法的大涡各亚格子模型,并将各计算结果与实验数据进行比较,最后确定了最佳模型即大涡WMLES S-Omega模型。在验证数学物理模型可靠性的基础上,对摇摆中的各工况下水平管道内单相流体进行流动与换热的LES数值模拟研究。
  本文分别对静止和摇摆工况进行了大涡模拟,分析了静止工况和摇摆工况下管内流体的流场分布以及瞬时速度场的变化规律,并进行了比较。通过受力分析推导出摇摆条件下管内摩擦阻力系数公式,重点分析了摇摆条件下测试段内的压降组成以及各瞬时压降的变化规律。
  采用壁面恒热流密度边界条件,研究了摇摆运动对传热特性的影响。分析了管道壁面、近壁面流体的瞬时温度变化规律以及平均对流换热系数分布,最后对静止和摇摆条件下出口流体的温度进行了比较。重点研究了摇摆周期、摇摆幅值、雷诺数以及摇摆半径等因素对流动与传热特性的影响。数值仿真计算结果表明:摇摆条件下,瞬时摩擦阻力系数、瞬时速度和瞬时温度随时间周期性波动,横截面上与摇摆轴平行的水平线上各位置的瞬时速度和瞬时温度波动周期为摇摆运动周期的一半,其他位置的瞬时速度和瞬时温度波动周期都与摇摆周期相同,瞬时速度和温度的波幅从横截面顶底两端向截面中间逐渐减小;当其他因素相同时,随着摇摆振幅的增大,速度波动幅度、测试段驱动压降、重位压降、切向压降、离心压降的峰值和波动幅值、摩擦阻力系数的峰谷值和平均值都逐渐增大,而壁面瞬时温度值、壁面温度波动幅值、时均值却都减小;当其他因素相同时,随着摇摆周期的增大,项部壁面瞬时温度的最大值、壁面温度变化幅值与时均值都增大,而各监测点平均速度、速度波幅、测试段驱动压降的变化范围、切向压降、离心压降以及摩擦阻力系数的峰谷值及平均值都减小;摇摆条件下随着流体雷诺数的增大,测试段内摩擦阻力系数和顶部壁面温度的波动幅值和平均值都减小。此外还发现摇摆半径越大,其摩擦阻力系数的波动范围越大,而摇摆半径对水平管内传热基本没有影响,这可以从一定程度上说明摇摆运动下科氏惯性力是影响水平圆管内传热的主要因素。
  摇摆条件下水平管道内会出现二次流,二次流是造成摇摆条件下流体流动传热与静止工况区别的重要因素。在海洋条件下,摇摆运动会产生周期性变化的附加惯性力,而附加惯性力的存在会引起流动与传热边界层的变化,最后造成了水平圆型通道内流动阻力以及传热系数的变化。
[硕士论文] 屈维
机械工程 北京化工大学 2018(学位年度)
摘要:随着经济的发展和环境资源约束的加强,涡轮机械呈现出高参数、大型化的发展趋势,叶片尺寸不断增加,工作环境更为严苛,这就要求叶片的设计质量及使用寿命不断提高。在设计阶段获得叶片的强度、振动、疲劳参数、应力状态,不仅能提高产品质量,保证叶片可靠安全长期运行,更能获得更多的经济利益。准确合理的预测寿命不仅能满足涡轮机械可靠性设计要求,更能指导其设计、维修、监测等。本文所做的主要工作如下:
  (1)首先给出了几种有限元方法在叶轮强度及振动方面的应用,在此基础上,以某工业用汽轮机次末级动叶片为例,详细阐明了有限元计算步骤、结果以及叶片振动安全评价分析方法,为叶片在设计阶段的静强度计算以及振动安全设计提供参考。
  (2)以国内某矿井用轴流风机动叶片出现裂纹故障为背景,提出了气流激振力下叶片动应力计算求解流程。通过计算不同叶片角度下的气动阻尼、气动力、动应力、疲劳安全系数等数据,综合现场叶片损坏情况,找到了叶片出现故障的原因,并给出了几种预防疲劳失效的方法。
  (3)采用有限元分析方法,分别研究了三种不同叶型裂纹叶片的振动特性,讨论了裂纹长度变化引起的叶片频率及振动特征的变化情况;对实际裂纹叶片进行了模态测试,并通过人为制造裂纹的方法进行了不同裂纹长度下的叶片频率测试,得到了叶片频率及响应的变化规律。
  (4)为验证本课题组开发的多功能的叶片振动监测测量系统,在原有实验台的基础上,设计了一种新型叶轮,介绍了实验台的结构并计算了实验叶轮的强度及振动特性,为后续进行实验提供一定的理论数据参考。
  本文基于叶片裂纹故障案例为研究背景,通过多种不同的有限元仿真、数值分析以及实验研究等手段,对轴流叶片的振动及强度进行了一定的研究。在叶片静强度计算及振动安全评价方面,本文提出的计算流程及评价方法,可为厂家提供参考;在叶片动应力计算方面,本文采用目前最先进的计算方法,结合实际裂纹故障案例,给出了一系列分析结果,解决了实际问题;在裂纹叶片振动特性方面,本文对实际裂纹叶片进行了模态分析测试,研究了裂纹对叶片特性的影响,并从有限元仿真角度对裂纹叶片进行了深入的研究;在实验台建设方面,本文设计了一种新型叶轮,可满足不同的实验要求。以上研究内容,可以为叶片健康监测实验台的建设提供帮助及数据参考,同时,有助于提高涡轮机械轴流叶片的设计质量,为其安全运行提供可靠性保障。
[硕士论文] 王萍
工程热物理 兰州交通大学 2018(学位年度)
摘要:板翅式换热器因其诸多结构特点,而被广泛的应用于各个领域,被认为是最有发展前途的新型热交换器之一。目前对板翅式换热器的研究主要集中在对翅片的研究上,多是采用增大换热面积以及破坏翅片表面的热阻边界层来达到强化换热的目的,论文研究的矩形通道内三面安装的三角形涡产生器不但可以增大换热通道的换热面积,同时可以形成纵向涡使换热器的换热性能得到提高。
  论文选取了翅片的一个通道,选择五个最小周期形成的区域作为计算区域,对计算区域进行适体坐标的转换,方程的离散无量纲化及网格划分。在雷诺数Re=300~1100的范围内,通过相关几何参数的改变,来研究通道内涡产生器的几何参数(矩形通道的高宽比rat、三角形涡产生器的高H、涡产生器与流体流动方向的夹角α和涡产生器的相对距离S)对通道内的流动与换热特性的影响。分析几何参数对通道内二次流强度的影响,最终对所到的数值结果进行拟合得到准则关联式。
  通过研究得出结论:在所研究的范围内,相同的结构下,随着雷诺数Re的增大,努塞尔数Nu均增大,阻力系数f均减小。矩形通道的高宽比rat对通道内的流动与换热有一定的影响,在同一Re下,当高宽比0.5≤ra≤1.4时,随着高宽比rat的增大Nu先增大后减小,f也呈先增大后减小的趋势,在高宽比rat=0.8时达到最大;当高宽比1.7≤rat≤2.0时,随着高宽比rat的增大Nu和f也逐渐增大,同时Nu和f均比rat=0.8时的大。当几何参数α和H的逐渐增大时,Nu和f均增大;而对于三角形涡产生器的相对间距S,随着S的逐渐增大,努塞尔数Nu和f均减小。在低Re下,几何参数的改变对Nu的影响不大。在同一结构参数下,随着Re的增大二次流强度Sem与Nu的变化趋势相同。
[硕士论文] 谢金鹏
热能工程 兰州交通大学 2018(学位年度)
摘要:机车换热器是内燃机车正常运行的关键设备。机车换热器的腐蚀与污垢沉积会严重降低热换热效率,导致换热器内管道失效甚至停机、造成运行成本的增加。构成机车换热器的材质主要是铜及其合金,铜及其合金的腐蚀可归结为均匀腐蚀、点蚀、侵蚀和大气腐蚀。预防铜及其合金腐蚀的缓蚀剂主要以硼砂、亚硝酸钠、硅酸钠和苯丙三氮唑复配而成,但在实际使用过程中,机车换热器中的黄铜管易发生点蚀现象。本文选取黄铜扁管、黄铜镀锡扁管、T2铜片和T2铜管为研究对象,建立集硼砂、亚硝酸钠、硅酸钠和苯丙三氮唑的不同配比以及温度为变量的正交表,采用挂片增重、失重、SEM和EDS研究机车换热器中铜管的点蚀机理及影响因素。其结果如下:
  T2铜试片的腐蚀程度由大到小的影响是:温度>硼砂>硅酸钠>苯并三氮唑>硅酸钠;T2铜管试件的腐蚀程度由大到小的影响是:温度>硼砂>硅酸钠>亚硝酸钠>苯并三氮唑;对黄铜管试件的腐蚀程度由大到小的影响是:温度>亚硝酸钠>硅酸钠>苯并三氮唑>硼砂;对黄铜镀锡扁管试件的腐蚀程度由大到小的影响是:温度>硼砂>硅酸钠>亚硝酸钠>苯并三氮唑。
  SEM结果表明造成T2铜管和黄铜扁管点蚀的主要原因是铜表面上氧化亚铜保护薄膜的局部破裂。致使坑底的铜作为阳极和表面的氧化亚铜薄膜作为阴极形成电偶,使得铜在坑中溶解发生点蚀,而氧化膜的破裂与过量的含碳残渣以及污垢(异物)在表面的沉积、机械攻击造成、材料自身的缺陷所致有关。在相同时长的挂片腐蚀试验中,T2铜片几乎没有腐蚀,T2铜管的腐蚀为点蚀初期阶段,而黄铜扁管的腐蚀为点蚀向均匀腐蚀过渡阶段,黄铜镀锡扁管为均匀腐蚀阶段。
  EDS结果表明未腐蚀的铜表面上的元素为氧和铜(即氧化亚铜),点蚀表面上的元素为氧、碳、铜及硅(碱式碳酸铜及二氧化硅的混合物);未腐蚀的黄铜表面上的元素为氧、锌和铜(即氧化亚铜及金属锌),点蚀表面上的元素为氧、碳、铜、铁、锌及硅(碱式碳酸铜、二氧化硅、氧化铁的混合物)发生被腐蚀的试片碳元素含量是降低的。
  根据实验结果总结了针对黄铜扁管、黄铜镀锡扁管、T2铜片和T2铜管的复配缓蚀剂(硼砂、亚硝酸钠、硅酸钠和苯丙三氮唑)的最佳配比,为实际应用提供了一定的指导。
[硕士论文] 陆昆鹏
化工过程机械 山东科技大学 2018(学位年度)
摘要:风能、太阳能等可再生能源发电项目的日益增加,为社会和经济的发展带来巨大的效益,但是可再生能源因其特有的间歇性和波动性,在并网运行时会对电网的稳定性和可靠性带来冲击。而解决这一问题的主要技术之一就是储能技术,其中压缩空气储能系统因其环境友好性、经济性和可靠性等优点得到广泛关注。
  本课题首先论述了压缩空气储能系统的研究背景和意义,讨论了其研究和发展现状,并针对微型压缩空气储能系统释能过程作了详细概述。根据释能过程理论分析,建立储气室、膨胀机和发电机动态数学模型,并在Matlab/Simulink中根据各个组件基本数学模型搭建释能过程动态仿真平台。
  应用热力学分析方法对微型压缩空气储能系统的能效进行分析:包括储气室能效分析、涡旋式膨胀机的能效分析和永磁同步发电机的能效分析。针对释能过程的能效分析,对微型压缩空气储能系统释能过程的控制策略进行研究,分别对系统转速、最大输出功率与功电转换效率优化控制进行讨论。
  通过搭建微型压缩空气储能系统释能过程实验平台,对释能过程膨胀机与发电机的耦联关系进行实验,并对动态仿真模型进行验证。根据实验结果和分析,证明了微型压缩空气储能系统释能过程中涡旋式膨胀机与发电机的耦联模型和释能过程动态模型的正确性,揭示了涡旋式膨胀机与发电机的耦联输出特性,对微型压缩空气储能系统的应用具有一定的意义。
[硕士论文] Hammad Aslam Bhatti
核科学与技术;核能科学与工程 华北电力大学;华北电力大学(北京) 2018(学位年度)
摘要:同传统的管壳式换热器相比,以超临界二氧化碳为工质的紧凑型换热器能够有效提高热力循环效率,降低各部件尺寸,对小型堆的设计有着重要意义。紧凑式换热器主要分为两种类型,分别是印刷式换热器和微通道换热器。为了分析紧凑型换热器的热工水力性能,本文基于超临界二氧化碳工质的热工水力特性,分析了印刷式换热器和微通道换热器的主要优势,设计了三种印刷式换热器模型和三种微通道换热器模型,引入几何无量纲数和雷诺数作为变量,采用计算流体动力学方法(CFD)进行了数值模拟。
  印刷式换热器通道模型分别为具有15°角的锯齿形通道、波状通道和翼型鳍通道。结果表明,锯齿形通道具有比波状通道和AFF通道更好的传热性能。在压力损失的情况下,翼型鳍片通道表现出更好的性能,其次是波纹通道和锯齿形通道,应进一步研究具有不同翅片类型的直槽。对于微通道换热器,研究了三种不同的微通道直径模型,其微通道外径均为2mm,内径分别为0.8mm、1mm、1.2mm。结果表明,增加微通道直径可以提高换热效率,随着微通道直径的增加,摩擦系数增加,同时压力损失也会增加。同时考虑换热效率和压力损失的影响,引入面积优化因子作为衡量指标,结果表明外径为2mm,内径为0.8mm的微通道换热器综合性能最好。本文对超临界二氧化碳在紧凑式换热器中的热工水力特性进行了深入研究,对今后的进一步的弯曲通道模拟计算,高雷诺数情况下的研究以及实验设计提供了参考依据和研究基础。
[博士论文] 马佳
力学 北京交通大学 2018(学位年度)
摘要:由于有翅片侧加热腔具有设计简单且可有效控制传热的特点,因而已被广泛地应用到工业生产实践中的多个方面,例如各类换热器、太阳能采集器甚至建筑节能设计等。因此,有翅片侧加热腔内自然对流研究已成为流体力学和传热学等相关领域所共同关注的课题之一,也是国内外学术界的一个研究热点。文献调研显示,国内外学者在有翅片侧加热腔内自然对流的数值模拟和实验研究方面已取得了丰硕的研究成果,但对相应的动力和传热控制的机理性研究依然匮乏,这也因而成为本文的主要研究目标。
  基于有翅片侧加热腔内自然对流的流动机制这一研究目标,本文采用尺度分析和数值模拟等方法分别研究了等温和等热通量侧加热驱动的腔内自然对流,分析了入侵流和羽流的可能流动机制,讨论了每组流动机制所包含的不同动力和传热控制,以期获得相应的尺度关系式并给出数值验证。研究结果显示,有翅片侧加热腔内自然对流的流动机制、动力和传热控制以及尺度关系式依赖于时间、瑞利数、普朗特数和翅片位置等参量(或部分参量)。此外,通过分析大量的数值结果,得到了流态间演化的临界瑞利数,并给出了侧加热腔内传热传质的定量刻画。本文的重要研究进展包括:
  (1)发现并证明了等热通量加热条件下羽流动力控制转换存在流量时间增长的临界指数(=2),分析给出了羽流可能存在的新的流动机制,获得了不同动力传热控制下入侵流和羽流的尺度关系式并得到了相应的数值校验。
  (2)发现了等温加热条件下入侵流及羽流流动机制依赖于翅片位置,观察到入侵流的新的动力控制子区,获得了不同动力传热控制下入侵流及羽流依赖时间、翅片位置、瑞利数和普朗特数的尺度关系式并给出了数值验证。
  (3)经大量数值模拟结果分析,获得了翅片绕流由定常向非定常演化的临界瑞利数及与普朗特数的依赖;通过比对等温和等热通量侧加热腔内流动,给出了腔内流动的传热和传质对瑞利数和普朗特数的定量依赖。
  (4)基于数值模拟结果分析,得到了翅片绕流流动的传热和传质对翅片位置的定量依赖,给出了可强化腔内传热传质的翅片优化位置。
  本文研究所获得的成果除可补充流体力学和传热学有关入侵流和羽流在动力和传热方面的认知不足外,也可应用于具体的工业设计中。然而,在应用前,合适的实际校验以及公式适用条件的理解是实现设计可靠性及精度的保障。
[硕士论文] 刘鹏辉
化工过程机械 广西大学 2018(学位年度)
摘要:微机电及微电子技术深度发展,热流密度骤增,要求匹配效率更高,体积更小的换热设备。螺旋细通道以其离心作用产生的二次流以及小尺寸效应备受青睐,加入扰流装置和使用纳米流体工质,可以从增强流动紊乱程度和提高传质传热效率两方面改善其传热特性。
  本文首先建立了普通螺旋细通道和不同凹穴结构参数螺旋细通道的夹套换热装置三维物理模型,针对模型中流体的传热和流动特性进行了数值模拟研究。对比了排布凹穴结构螺旋细通道与普通结构螺旋细通道之间的传热和流动特性,分析了研究对象的努塞尔数、流动阻力系数、热阻、场协同数以及综合性能评价因数,探究了研究范围内的最佳凹穴结构尺寸。结果表明:本文研究的尺寸中,除了d=3.6mm,d/l1∶1的凹穴结构螺旋细通道综合性能评价因数随雷诺数的增加一直减小以外,其他几种情况均随着雷诺数的增加而先增大后减小。并且通过对比,确定了d=3.0mm,d/l1∶2时,凹穴结构螺旋细通道的综合性能评价因数最高。
  随后,按照前文数值模拟所得的最佳凹穴结构参数,并结合实际加工条件,通过机加工制得两种不同结构螺旋细通道夹套装置。以纳米流体和去离子水作为换热工质,对两种螺旋细通道的传热特性进行了对比研究。结果表明:凹穴结构螺旋细通道在雷诺数大于5000时,努塞尔数大于普通螺旋细通道。水基Al2O3纳米流体在质量分数为0.1%和0.2%时,对螺旋细通道的传热特性有所抑制,质量分数1.0%的水基Al2O3纳米流体对其努塞尔数有所回升。
[硕士论文] 张小娥
动力工程 兰州交通大学 2018(学位年度)
摘要:近年来,随着我国可持续发展战略的实施,我国电力生产中非化石燃料发电量所占比例有较大提升,但化石燃料发电量仍占主要比重。传统火电发电模式,除产生粉尘等污染物排放外,在对汽轮机乏汽进行冷却时需要消耗大量的水,这对我国缺水少雨地区的发电有一定影响。而电站直接空冷技术可广泛应用于富煤缺水地区,直接空冷系统通过风冷对乏汽直接进行冷却,可大量节约水资源。但在直接空冷技术中节水并不是无偿的,其是以消耗高品位能源来实现的,所以空冷岛用散热器换热性能的好坏对节能的高低起重要作用。
  本文通过建立了电站空冷岛散热器管内凝结换热实验模型,对内径为4mm圆管散热器进行了管内凝结换热实验,并在工况相同的条件下与双百叶窗扁管散热器作对比研究。由于电站空冷岛散热器为倾斜布置,所以需设置不同倾斜角度来研究散热器管内蒸汽的凝结换热能力,设置散热器的倾斜角度在30°至90°之间,并对散热器设定一定的蒸汽进口压力,保证散热器在几个角度下的进口压力不变,通过调节风机频率来控制入口蒸汽流量从而进行电站空冷岛散热器管内凝结换热实验研究。为获得管内凝结换热时的换热系数,先对管内流动介质为水的单节进行换热实验得到空气侧的换热系数ha和翅片总效率η0的拟合公式,然后对管内流动介质为蒸汽的相同单节进行换热实验,通过获得的空气侧换热系数得到管内凝结时的换热系数hs,在两个实验过程中保证吸热和放热的相对误差小于5%。通过实验获得空冷岛散热器管内凝结换热时凝结换热系数hs与雷诺数Re1的变化规律。将所得结果之与扁管散热器换热性能进行比较。
  实验表明,在保证入口为饱和蒸汽、出口为饱水以及空气侧流量相同时,圆管与扁管散热器的换热量都随着倾斜角度的增加而增大,散热器倾斜90°时换热量最大,而圆管的换热量大于扁管的换热量。当两散热器倾斜角度不变时,随冷凝水Re1数的增大,管内凝结换热系数随之增大;在相同冷凝水雷诺数下,扁管散热器倾斜角度对管内换热系数hs的影响不明显,但圆管的管内换热系数的发展快于扁管的。所得结果可为电站空冷岛散热器的设计及运用提供参考。
[硕士论文] 关意全
动力机械及工程 广西大学 2018(学位年度)
摘要:生物柴油和正戊醇都是新兴柴油替用燃料。生物柴油在降低Soot排放方面有显著的作用,但是由于生物柴油的粘度较高,雾化性能差,在大喷射压力下容易造成湿壁。为了解决这些问题,本文在生物柴油/柴油混合燃料中加入正戊醇,研究三元混合燃料对发动机燃烧和排放的影响。
  试验采用三种不同混合比的实验燃料,分别为:纯柴油(记D100)、柴油掺混体积比20%的生物柴油(记DB20)、混合燃料DB20掺混体积比20%正戊醇(记为DBP20)。试验结果表明:①在中低负荷下,随着BMEP提高,三种混合燃料的Soot排放呈下降趋势,而在高负荷下,Soot排放呈上升趋势。添加正戊醇后,DBP20的Soot排放比DB20进一步减小;②随着EGR率的升高,三种混合燃料的NOx排放明显降低。在EGR率小于20%时,三种燃料的Soot排放随EGR率的增大增加不明显,当EGR率大于20%,随着EGR率的上升,三种燃料的Soot、CO以及THC排放急剧增加。与D100相比,DB20的Soot排放明显减小,NOx排放变化不大,THC明显增加而CO有轻微下降。DBP20与D100相比,NOx、Soot排放降低,CO和THC的排放在大EGR情况下急剧升高。随着EGR率的增大,三种混合燃料的核态颗粒物排放都是先减小,后增加,聚集态颗粒物排放随着EGR的增大而增大,当EGR率大于25%时,聚集态颗粒物显著增加。三种混合燃料的总颗粒物数浓度变化相似,都是先降低后升高;③在同一喷油间隔下,随着预喷率的增大,缸内压力峰值和预喷放热率峰值增大,在同一预喷率下,随着喷油间隔增长,缸内压力峰值和预喷放热率峰值下降。柴油掺混20%生物柴油后,缸压和放热率与柴油相比没有明显变化,DBP20与D100相比,缸内压力峰值、预喷放热率峰值降低。在柴油中加入含氧燃料后,有效热效率降低。在同一喷油间隔和预喷率下,燃烧效率由低到高依次为:DBP20<DB20<D100;燃烧效率和纯柴油相比变化不明显;④随着喷油压力的增大,三种混合燃料的核态颗粒数浓度升高、聚集态颗粒数浓度下降、总颗粒数浓度、质量浓度降低。在同一喷油压力下,总颗粒数浓度由高到低依次为:DB20>DBP20>D100;总颗粒质量浓度由高到低依次为:DB20>D100>DBP20。
[硕士论文] 艾雄杰
工程热物理 兰州交通大学 2018(学位年度)
摘要:污垢是影响能源利用率的主要因素之一,研究污垢的形成过程和生长机理,可有效提高能源的转化效率,缓解能源危机,有利于节能减排和保护环境。本文采用实验和数值模拟两种手段,探索了碳酸钙结晶污垢在换热壁面上的生长及其对传热的影响,观测了不同生长阶段碳酸钙结晶污垢在换热壁面上的形貌、大小及其分布特征,分析了碳酸钙污垢在换热表面上的生长规律。
  实验研究以套管换热器的管程作为实验对象,选取316L不锈钢圆管作为试验管,工质是100 mg/L的碳酸钙溶液,工质进口温度为55±0.5℃,热水入口温度为77±0.5℃,管内流速为0.13 m/s(Re=1800)。实验结果表明总传热系数随时间的变化呈先增大后减小再增大的变化趋势,污垢热阻的变化规律则恰好相反;热阻在整个结垢过程可分正热阻区、负热阻区、污垢渐进生长区三个区域;晶体的数量、大小随着时间的增加逐渐增大,直至晶体完全覆盖换热面;在污垢渐进生长区,污垢层表面会发生二次成核,结垢速率迅速增大,而剥蚀率随时间缓慢增大,沉积量和剥蚀量最终会达成一个动态平衡,污垢热阻呈渐近线型变化;在结垢过程中,晶型由起初的不稳定的颗粒转变为稳定的方解石状。
  根据结晶污垢在换热壁面上的分布进行统计结果,建立物理模型和数学模型,研究管内碳酸钙污垢对传热特性的影响。数值模拟结果表明:晶体的出现增大了流体的扰动,强化了对流换热过程;晶体尺寸越大,扰流作用越大,对换热的强化效果也越明显;同时,晶体是热的不良导体,阻碍热量的传递,随着晶体尺寸的增大,晶体占的管壁面积增大,阻碍作用逐渐增强;模拟所得Nu/Nu0随时间的变化与实验测得K/K0随时间变化的规律相同。
[硕士论文] 刘琪
机械工程 北京化工大学 2018(学位年度)
摘要:大小孔折流板是北京化工大学开发的新型折流板,分为整圆大小孔折流板和带缺口大小孔折流板,波纹管是传热效率较高的一种异型管,大小孔折流板与波纹管组合的新型换热器相比普通的管壳式换热器具有较好的综合传热性能,值得深入研究与开发。本文通过数值模拟方法对大小孔折流板与给定波纹管组合而成的换热器进行流体流动与传热研究,其主要内容以及研究成果如下:
  (1)针对整圆大小孔折流板与波纹管组合的新型换热器进行流体仿真模拟实验,重点研究折流板间距和大孔直径等结构参数的改变对换热器传热的影响。随着大孔直径的增加,壳程进出口压力降、传热系数、努塞尔数都减小,综合传热性能增强;但随着折流板间距的降低,壳程压力降基本不变,但壳程传热系数和努塞尔数都有小幅的增加。
  (2)研究带缺口大小孔折流板波纹管换热器的流体传热特性,重点探究了缺口高度以及其他结构参数对大小孔折流板波纹管换热器的影响。结果表明,和整圆大小孔折流板换热器类似,随着缺口高度的增加,壳程进出口压力降、传热系数、努塞尔数都减小,综合传热性能增强;随着大孔直径的增加,带缺口大小孔折流板换热器壳程进出口压力降、传热系数、努塞尔数都减小,综合传热性能增强;同样,折流板间距对带缺口大小孔折流板波纹管换热器壳程压力降、传热系数和努塞尔数的影响很小。此外,研究发现带缺口大小孔折流板壳程压降较整圆大小孔折流板换热器低,传热系数也低,但综合传热性能却高于整圆大小孔折流板换热器。
  (3)利用正交试验设计L9(34)正交表,建立不同结构参数的整圆大小孔折流板波纹管换热器和带缺口大小孔折流板波纹管换热器流体域模型,根据模拟结果分析确定所研究换热器换热性能影响最大的最佳结构参数。极差分析法也发现无论是带缺口还是不带缺口换热器,大孔直径都是对压降和传热系数影响最大的因素,其次是折流板缺口高度,影响最小的是折流板间距。
  (4)改变结构参数和壳程流速建立不同换热器模型进行数值模拟,根据数值模拟结果拟合出整圆大小孔折流板与波纹管组合换热器以及带缺口折流板与波纹管组合换热器的传热准则关联式Nu式,并进行了验证。
  (5)对比分析了两种结构大小孔折流板波纹管换热器的综合传热系数,发现带缺口的大小孔折流板波纹管换热器的综合传热系数高于整圆大小孔折流板波纹管换热器。
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