【摘 要】
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管翅式换热器被广泛应用于工业、商业设备及民用设备如发电厂、暖通设备及风洞中。换热器热工水力性能的提升有助于对环境、资源的保护以及碳排放的削减。通常情况下,管翅式换热器外侧流体为空气,且空气侧对流换热热阻占管翅式换热器总热阻的大部分。因此,已有许多学者研究了管翅式换热器空气侧的热工水力性能,并对换热器的几何参数等进行了优化。近年来,一些学者尝试利用异型管以进一步提升管翅式换热器的空气侧热工水力性能。
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管翅式换热器被广泛应用于工业、商业设备及民用设备如发电厂、暖通设备及风洞中。换热器热工水力性能的提升有助于对环境、资源的保护以及碳排放的削减。通常情况下,管翅式换热器外侧流体为空气,且空气侧对流换热热阻占管翅式换热器总热阻的大部分。因此,已有许多学者研究了管翅式换热器空气侧的热工水力性能,并对换热器的几何参数等进行了优化。近年来,一些学者尝试利用异型管以进一步提升管翅式换热器的空气侧热工水力性能。同时,由于马蹄涡系统对管翅式换热器的流动阻力及换热能力有着显著的影响,一些学者亦研究了简单的管翅式换热器中的马蹄涡系统。然而,管形等参数对马蹄涡系统强度的影响仍有待深入研究。因此,本文通过数值模拟的手段详细研究了管形等参数对管翅式换热器中马蹄涡系统各涡旋强度的空间演化趋势的影响,并进一步对管形进行了优化以提升管翅式换热器的热工水力性能。交错排列的管翅式换热器的后排管落于前排管的尾流区中,而第一排与其他管排不同,其前方来流没有受换热器管侧流道的挤压加速。因此,本文对马蹄涡系统所处的管排数对马蹄涡系统中各涡旋系统强度空间演化的影响进行了研究。数值模拟的结果表明,所研究的管翅式换热器中具有最高强度的涡旋出现在第二排处,而后排管处的马蹄涡系统在离开尾流区时被高速主流明显增强。本文亦研究了雷诺数、管椭圆率及翅片距对马蹄涡系统强度及其对翅片表面的换热强化效果进行了研究。研究发现,马蹄涡系统强度随雷诺数及管椭圆率的下降而明显下降,但马蹄涡系统中更弱的涡旋的强度则降低的更快。同时,当管椭圆率和雷诺数变化时,马蹄涡系统主涡无量纲速度环量与雷诺数的乘积和对应的翅片表面强化换热区域局部平均努塞尔数呈明显的线性相关。而翅片距则对马蹄涡系统的强度、规模及涡旋与管壁间距离有着明显的影响。这些影响使得翅片距增大时,马蹄涡系统强化局部换热速率的效率更高。基于这些观察,本文还对异型管的迎风侧及背风侧椭圆率同时进行了优化。数值结果表明,最优的异型管的迎风侧椭圆率为0.5,而其背风侧椭圆率为0.2。相比于具有最佳表现的椭圆管管翅式换热器,使用这一最优异型管的管翅式换热器的平均换热系数高出2.8%,而其压降则降低了9.1%,显示出同时优化迎风侧及背风侧管形得到的异型管于实际换热器中应用的潜力。
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