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平直翅片管傳熱與阻力特性的數(shù)值研究-免費(fèi)閱讀

2025-07-16 14:33 上一頁面

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【正文】 本研究的總體目標(biāo)是設(shè)計一個強(qiáng)化傳熱面,來盡量減少材料的數(shù)量(重量),但必須滿足所要求的散熱條件。Sparrow和Carranco Ortiz(1982年)實(shí)驗(yàn)性地確定了關(guān)于逆流壁面的換熱系數(shù)以及它們與長徑比和Re數(shù)之間的關(guān)系。韋伯(1981年)針對強(qiáng)化面提出了一個關(guān)于熱量傳遞和傳熱面積的性能評測方法。翅片管式換熱器在工業(yè)應(yīng)用中得到廣泛使用。強(qiáng)化傳熱面可以通過一系列因素的組合來設(shè)計,這些因素包括:增加流體的湍流程度、流體產(chǎn)生二次流型、減薄邊界層厚度和增大傳熱面的面積。而流道寬度隨間距增大而增加,使流體更易自由流動,流動阻力下降。(2) 對于平直翅片管換熱器,隨著雷諾數(shù)Re增大,Nu數(shù)增加,換熱能力增強(qiáng),同時流動阻力也在增加,阻力系數(shù)f隨著雷諾數(shù)Re的增大,逐漸平緩。其中,模型選取為:,橫線間距為16mm,管徑D取10mm。其中縱向間距S1/、D為管徑10mm。 管排橫向間距對平直翅片管換熱與壓降特性的影響管排間距直接影響了流體通道內(nèi)溫度場和速度場分布,對換熱與阻力特性有重要影響,合理布置管排能更好地協(xié)調(diào)速度場與溫度場的協(xié)同性,提高換熱器流動與化熱綜合性能。 多排管束的流場分布圖415 2排管流道壓力分布圖圖414 2排管流道溫度分布圖 圖417 2排管內(nèi)流線圖圖416 2排管內(nèi)速度分布圖 圖419 4排管流道內(nèi)速度分布圖圖418 4排管流道內(nèi)壓力分布圖 上圖中分別給出2排、4排叉排管束模擬流動的溫度場、速度場和壓力場。在Re較大時,漩渦流對換熱的影響較大,區(qū)域越寬,強(qiáng)化換熱作用越大,而翅片間距的大小主要反映在翅片對漩渦流的抑制作用的程度。由上圖Ref關(guān)系看出,隨Re增大,阻力系數(shù)減小并逐漸趨于平緩。同時出口溫度隨流速的增大而減小。 迭代殘差圖 雷諾數(shù)對平直翅片管換熱與壓降特性的影響本節(jié)針對單排平直翅片管,通過改變進(jìn)口來流速度來變化雷諾數(shù)的大小,分析不同雷諾數(shù)下平直翅片管的換熱與阻力特性。圖32 網(wǎng)格劃分示意圖圖33 翅片表面部分網(wǎng)格劃分圖34 近翅片區(qū)域采用邊界層加密 求解器的選擇FLUENT在求解器算法上有四種選擇:即非耦合顯式、耦合顯式、非耦合隱式和耦合隱式。網(wǎng)格是CFD模型的幾何表達(dá)形式,也是模擬與分析的載體,網(wǎng)格質(zhì)量的好壞對仿真的精度及計算效率有重要的影響。對于二維問題,可生成三角形單元網(wǎng)格和四邊形單元網(wǎng)格;對于三維問題,提供的網(wǎng)格單元包括四面體、六面體、棱錐、楔形體及雜交網(wǎng)格等。該軟件專門用來進(jìn)行流場分析、流場計算、流場預(yù)測。這里的計算方法不僅包括微分方程的離散化方法及求解方法,還包括貼體坐標(biāo)的建立,邊界條件的處理等。CFD這一始于本世紀(jì)三十年代到如今的計算機(jī)模擬技術(shù),集流體力學(xué)、數(shù)值計算方法以及計算機(jī)圖形學(xué)于一身,已經(jīng)在各個工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。就離散方法而言,有限體積法可視作有限單元法和有限差分法的中間物。有限元方法最早應(yīng)用于結(jié)構(gòu)力學(xué),后來隨著計算機(jī)的發(fā)展慢慢用于流體力學(xué)的數(shù)值模擬。(2) 有限容積法(Finite Volume Method,F(xiàn)VM) 有限容積法又稱為控制體積法。(7) 對于Y方向上的空氣流道和進(jìn)出口延長區(qū)均采用對稱絕熱邊界條件。 物理模型的邊界條件及初始條件為保證無回流,在空氣流動的方向上,入口、出口做適當(dāng)延長。(3) 努塞爾數(shù): 其中: h空氣對流換熱系數(shù),W/(K該定律可表述為:單位時間內(nèi)流體微元體中質(zhì)量的增加,等于同一時間間隔內(nèi)流入該微元體的凈質(zhì)量。m3粘度μ/ Pa基本尺寸如下:管子直徑D= 10mm,管排橫向間距S2= 22mm,管排縱向間距S1= 16mm,翅片厚度δ= ,翅片間距S= 。采用的流體工質(zhì)為常物性的空氣。(7) 2008年,傅明星[16]利用三維穩(wěn)態(tài)模擬研究了叉排和順排布置形式、幾何尺寸和雷諾數(shù)Red對雙排平直翅片管換熱器換熱和流動特性的影響,研究成果豐富。同時借助可視化實(shí)驗(yàn)技術(shù),揭示了翅片間距對傳熱、流阻的影響。(6) 1996年,何國庚[13]等分別對16排、26排和32排的平翅片空氣冷卻器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),指出風(fēng)速對風(fēng)側(cè)阻力的影響并不相同:在較少排數(shù)時,風(fēng)速的影響顯著些;而隨著管排數(shù)的增加,風(fēng)速的影響也趨向穩(wěn)定。從目前家用空調(diào)中所采用的換熱管尺寸來看,其管徑有不斷減小的發(fā)展趨勢,;二是增強(qiáng)空氣側(cè)的湍流強(qiáng)度,可通過不斷改變氣流來流方向,來達(dá)到強(qiáng)化換熱的目的,主要采用將翅片沖壓成波紋形,由此產(chǎn)生了波紋形翅片類型; 三是采用間斷式翅片表面,將翅片表面沿氣流方向逐漸斷開,以阻止翅片表面空氣層流邊界層的發(fā)展,使邊界層在各表面不斷地破壞,又在下一個沖條形成新的邊界層,不斷利用沖條的前緣效應(yīng),達(dá)到強(qiáng)化換熱的目的。但是,它往往要求對計算對象進(jìn)行抽象和簡化,才有可能得出理論解。它能夠提供在整個計算區(qū)域內(nèi)所有的有關(guān)變量(如速度、壓力、溫度、濃度等)的值。運(yùn)用計算機(jī)的數(shù)值方法進(jìn)行預(yù)測的最重要優(yōu)點(diǎn)是它的成本低??梢姽芡獬崞膿Q熱仍然是制約換熱器效能的主要因素,因此,強(qiáng)化空氣側(cè)的換熱成了管翅式換熱器強(qiáng)化傳熱的重要問題。所以,此時采用增強(qiáng)流體擾動,提高換熱系數(shù)的方法對空氣側(cè)換熱效果影響不大,增加換熱量更有效的方法應(yīng)該是擴(kuò)大換熱面積。具體說來,就是用各種異型管取代原來的光管,現(xiàn)在較常用的有螺旋橫紋(螺紋管)、橫槽紋管、波紋管、內(nèi)翅管及管內(nèi)插入強(qiáng)化物質(zhì);三是換熱設(shè)備的強(qiáng)化與用能系統(tǒng)的優(yōu)化組合,就是說按照能量的品味逐級利用,使用能的流程處于最合理的搭配,降低能耗實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)的節(jié)能。采用先進(jìn)技術(shù),節(jié)能降耗,倡導(dǎo)低碳生活和綠色的生存模式,提高能源有效利用率勢在必行,正是出于這種目的,許多學(xué)者對強(qiáng)化換熱技術(shù)進(jìn)行了大量的研究,提高換熱器的換熱效率來節(jié)約能源。關(guān)鍵字:數(shù)值模擬;平直翅片;層流流動;流動換熱56Numerical Study on Heat Transfer and Pressure Drop Characteristics of Plainfinned TubeABSTRACTAs plainfinned tube is an important ponent for thermal systems and refrigeration and air conditioning equipment,the study for its heat transfer performance is always a hot topics for researchers.Although its pact structure,heat transfer efficiency are lower than plate or platefin heat exchangers,plainfinned tube heat exchangers have also being widely used in the energy,chemical,oil and other industries for its many advantages which contained withstand high temperature and pressure,adptable widely,reliable,simple manufacturing,low costs and wide selection.Thus,studies for the flow and heat transfer of finned tube bundles are of great significance.Aim at the flow characteristics of plainfinned tube,this paper will study the followings:Simplely overview the study progress and present stuation of plainfinned tube,and on the basis of parative analysis the goods and bads of three research methods:experimental,analysis and numerical method.we determine use Gambitsoftware to bilud physical model for different size tube structures,and use to study the flow in the finned tube channel,then calculate the relationship between Re and Nu number,f(resistance cofficient),and analyze Re,finpitchnumber of tube rows,row spacing of fin tube(horizontal spacing and vertical spacing),the impact on the plainfinned tube39。計算區(qū)域結(jié)構(gòu)示意圖第3頁 畢業(yè)設(shè)計(論文)主要內(nèi)容:通過對富氧燃燒技術(shù)的認(rèn)識,了解該技術(shù)對節(jié)能、減排、降耗的適用性;并從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)兩方面研究該技術(shù)對電站鍋爐的影響,能夠提出解決一些問題的方案或者建議。 太 原 理 工 大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文)任務(wù)書第1頁畢業(yè)設(shè)計(論文)題目:平直翅片管傳熱與阻力特性的數(shù)值研究畢業(yè)設(shè)計(論文)要求及原始數(shù)據(jù)(資料):畢業(yè)設(shè)計(論文)要求:(1) 了解強(qiáng)化傳熱技術(shù)的發(fā)展、平直翅片管強(qiáng)化傳熱的機(jī)理及此換熱設(shè)備在實(shí)際中的應(yīng)用;(2) 了解翅片管換熱與阻力性能研究進(jìn)程及國內(nèi)外研究發(fā)展現(xiàn)狀;(3) 了解用數(shù)值方法研究翅片管換熱問題的優(yōu)越性并掌握數(shù)值解法的基本原理;(4) 初步掌握GAMBIT軟件構(gòu)建三維模型、劃分網(wǎng)格、使用Fluent軟件數(shù)值求解并對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后處理分析的基本方法;(5) 初步培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲兴刭|(zhì)和獨(dú)立工作的能力。第一部分 緒論第二部分 平直翅片管換熱流動模型建立與分析該部分主要分析了平直翅片管通道的流動特點(diǎn),描述了本文所研究對象的構(gòu)建及計算區(qū)域的選取,并討論了相關(guān)參數(shù)的計算方法及模型計算定解條件的確定。s flow and heat transfer performance,so as to provide a theoretical basis for the disgn,improvement and optimization of plainfinned tude heat exchangers.Key words: numerical simulation;plainfin;laminar flow;heat transfer目 錄摘 要 IAbstract II第一章 緒論 1 課題背景及研究意義 1 翅片管強(qiáng)化傳熱的數(shù)值解法 4 平直翅片管換熱器的研究進(jìn)展及成果 7 本文的主要研究內(nèi)容 11第二章 平直翅片管換熱流動模型建立與分析 12 平直翅片管換熱與流動特性物理過程的描述 12 平直翅片管換熱器物理模型的建立 12 平直翅片管數(shù)學(xué)模型描述與簡化假設(shè) 14第三章 基于Fluent平直翅片管數(shù)值模擬及CFD簡介 18 常用數(shù)值計算方法簡介 18 CFD概述 20 FLUENT軟件概述及GAMBIT簡介 22 平直翅片管基于FLUENT數(shù)值模擬 24第四章 平直翅片管數(shù)值計算結(jié)果及數(shù)據(jù)分析 27 迭代殘差圖 27 雷諾數(shù)對平直翅片管換熱與壓降特性的影響 27 翅片間距對平直翅片管換熱與壓降特性的影響 32 管排數(shù)對平直翅片管換熱與壓降特性的影響 33 管排橫向間距對平直翅片管換熱與壓降特性的影響 35 管排縱向間距對平直翅片管換熱與壓降特性的影響 38 管排方式對平直翅片管換熱與壓降特性的影響 40結(jié) 論 43參考文獻(xiàn) 44外文原文 47中文翻譯 53第一章 緒論 課題背景及研究意義 強(qiáng)化傳熱技術(shù)概述強(qiáng)化傳熱是上世紀(jì)六十年代開始蓬勃興起的一種改善傳熱性能的先進(jìn)技術(shù)。換熱設(shè)備的合理設(shè)計、運(yùn)轉(zhuǎn)和改進(jìn)對節(jié)省資金、能源和金屬是十分重要的,因而強(qiáng)化換熱對國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重大意義。無論是在壁面增加粗糙表面還是利用插入物來強(qiáng)化傳熱技術(shù),雖然傳熱效果有了很大的改進(jìn),但這些方法有許多缺點(diǎn),例如換熱管的加工制作工藝過于復(fù)雜,增加金屬消耗量從而增加換熱器重量,又易于造成管子堵塞,換熱能力增強(qiáng)的同時,阻力也相對增大許多,從而造成運(yùn)行成本的提高等。采用附加表面來增加換熱面積、減小流體通道的水力直徑,從而改變通道內(nèi)溫度場的分布就是強(qiáng)化空氣側(cè)換熱最常用的手段之一,翅片管換熱器(如圖11)就是基于上述原理制造出來的。翅片管式換熱器是一種在制冷、空調(diào)、化工等工業(yè)領(lǐng)域廣泛采用的一種換熱器形式,對它的研究不僅有利于提高換熱器的換熱效率和整體系統(tǒng)性能,而且對改進(jìn)翅片換熱器的設(shè)計型式,推出更加節(jié)能、節(jié)材的緊湊式換熱器有著重要的指導(dǎo)意義。在大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用中,計算機(jī)運(yùn)算的成本要比相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究的成本低好幾個數(shù)量級。與實(shí)驗(yàn)的情況不同,在計算中幾乎沒有不能達(dá)到的位置。實(shí)驗(yàn)測量方法是研究流動與傳熱問題的最基本的方法,它所得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是真實(shí)可信的,它是理論分析和數(shù)值方法的基礎(chǔ),一方面補(bǔ)充現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫,另一方面為工程設(shè)計人員提供新的技術(shù)支持,同時還可以與數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行對比來改進(jìn)試驗(yàn)設(shè)計,因而其重要性不容低估。屬于這種翅片的有條縫形翅片和百葉窗形翅片等。(7) 1996年以來,Wangel一直致力于翅片管的研究,對平翅片換熱器也做了大量的研究,同時針對翅片換熱器的發(fā)展形式,對小管徑和小結(jié)構(gòu)尺寸的換熱器進(jìn)行了研究,得出大量十分有價值的研究成果。(3
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