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螺旋管换热器在工业中具有广泛的应用。其中螺旋管的结构是制约强化传热性能的重要因素。优良的设计结构可以增强螺旋管内的传热效率,同时减小流体流动时的阻力消耗。螺旋管结构的设计需要综合考虑能量损耗、流动阻力以及流体在管内的均匀传热。根据螺旋管内不同结构的强化传热效果进行螺旋管结构的设计对于减少工业中的能量消耗,提高能源利用率具有重要意义。 本课题采用CFD方法对光管、变直径螺旋管、椭圆和圆形螺旋管以及旋转角螺旋管的强化传热性能进行了一系列的研究,得到不同结构的螺旋管内的温度分布。首先,旋转角螺旋管具有较好的传热性能,0°旋转角结构的出口温度比椭圆形结构提高7.00%。在旋转角螺旋管中,传热性能最优的是32°旋转角结构,其出口温度比0°旋转角结构高11.68%,比椭圆形结构提高19.50%。又对不同结构进行了速度和压力模拟,32°旋转角结构的出口速度比椭圆形结构提高20.31%,同时具有较均匀的压力分布。 在不同结构螺旋管的综合传热性能和场协同的分析中,计算了不同结构的努塞尔数、摩擦因子和综合性能评价因子与雷诺数的关系,得到了不同结构的拟合公式和拟合曲线,结果显示强化传热需要综合考虑湍流强度和空气阻力的影响。其中32°旋转角结构在不同流速下的Nu数最高,同时f数较低。整体η值最大,传热性能最优。同时又对不同的结构进行了场协同模拟。不同流速下的模拟结果显示32°旋转角结构整体协同角最小,场协同作用最好。