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全球变暖、能源短缺等问题对中国的能源安全提出了新的要求,国家针对这些重大问题在“十三五”期间提出了新的能源规划。换热器在各个领域中扮有不可替代的角色,在管壳式换热器上使用强化传热技术能够有效提升能源利用效率,达到节能减排目的。本文将提出新型的引流式插入物,在湍流工况下强化传热,并研究其阻力特性以及综合性能。 本文将使用实验和数值模拟两种方法进行探究。实验主要用于初步的探究并为数值模拟的方法提供验证。本文用实验法探究引流槽的节距比p对换热、阻力特性的影响,用数值模拟方法探究倾斜角α、槽高H、插入物大小、槽形状对换热、阻力特性的影响。并且统一使用PEC来评价强化传热管的综合性能。 通过对计算得到的速度场、温度场等场图分析,对本文提出的新型插入物的强化传热机理进行了分析:引流槽能将冷流体引导到边壁区,与热流体充分混合的同时,对边界层造成局部扰动;接着该部分流体向槽两边扩展流动,带着热流体又流向核心区与冷流体混合,提高了槽两边核心区的主流速度。上述的机制与引流槽的绕流扰动能够共同作用形成涡结构,涡结构能够进一步提高核心区的均温性,同时该部分造成的阻力不会太大。因此引流+涡结构是本文提出的插入物的主要强化传热机理。 结果表明,节距比p越小、倾斜角α越大、槽高H越小,换热能力越大,但是阻力也越大。根据评价指标PEC的值,上述的参数优选为p=3.3,α=45°,H=2mm。数值模拟结果表明,该模型对应的换热能力是光管的1.83-1.94倍,阻力大约是光管的7倍,PEC在0.96-1.04之间变化。同时小尺寸的插入物能有效减阻,阻力降低23.3%-25.3%,但是换热能力也降低了5.7%-9.8%,导致PEC也有所降低。研究还发现,方槽的换热、阻力、综合性能均要优于半圆槽。引流式插入物在湍流工况下具有良好的强化传热效果,在实际中使用时可以根据工况要求选择合适的参数以及尺寸。