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换热器被广泛用在石油化工、电力冶金、航空航天、低温制冷等领域,研究和开发有效的强化传热技术对减小设备投资和提高能源利用率有着重要意义,换热管内插扰流元件是管内强化对流传热的有效方法之一,国内外学者对其进行了一系列研究,但对自旋式扰流元件研究有待进一步提高。本文首先开发了一种新型固定式物枝状扰流物,并在层流工况(Re=300~1800)下对内插不同结构参数的枝状扰流物换热管进行了流动和换热特性的数值模拟。通过改变枝状扰流物的节距P、分支数n以及倾斜角θ等结构参数,研究努赛尔数Nu、摩擦阻力系数f和综合换热评价因子η随Re数的变化规律。结果表明:Nu数、f数和η值随节距的减小而增大,小节距换热管具有最高的Nu数、f数和η值;分支数越多的换热管内插物的f数越大,分支数n=3时换热管的η值最高,倾斜角为θ=45°时换热管综合换热性能最高。其次,为了模拟换热管内插旋转式扰流物在特定工况下的被动旋转过程,编写了UDF程序并利用6dof动网格模型模拟了内插自旋纽带换热管湍流工况(R e=5000~30000)下的流动、传热特性,得到了不同螺距纽带转速随Re数的变化规律,分析了纽带螺距变化对换热管压力特性、速度特性和温度特性的影响。通过对比分析不同螺距纽带对Nu数,摩擦阻力系数f和综合评价因子η的影响发现,不同螺距纽带换热管Nu数基本一致,小螺距纽带换热管相比于大螺距纽带有更大的摩擦阻力系数,因此综合换热性能方面大螺距纽带换热管更高。最后,在普通纽带的基础上开发了中空纽带和曲直相间中空纽带,通过对三种纽带换热管进行流动和换热特性数值模拟,结果表明,曲直相间纽带转速明显小于普通纽带和中空纽带,并且换热管内能形成明显的旋转二次流。曲直相间纽带的Nu最高,中空纽带和普通纽带Nu数相对较低,但是曲直相间纽带摩擦阻力系数f最大,导致综合换热性能最低。