圆管内小管扰流器的换热特性研究

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当今社会,需要大量的能源来实现各个产业的发展,因此对能源进行高效利用一直是各界人士共同关心的课题。其中将热量传递以及转化也是能源的一种使用方式,因此对换热过程进行强化与优化,是避免能源供不应求的目标之一。  管内强化传热技术广泛应用于多个工业领域内,目前已经有很多学者通过加入扰流器来减少热边界层提高换热性能。但是传热率增加通常会引起摩擦阻力的增加,摩擦阻力的增加可能会弱化传热性能。一种新型的管插件能够通过有限的增加流动阻力获得较高的热传递能力。管插件能够改变流体流动的方向,使流体沿着空心管插件从中心流向壁面,增大流场速度梯度,减薄热边界层厚度,强化了换热。本文主要研究内置小管扰流器的圆形通道内的传热与流动特性。  首先,利用FLUENT流体分析软件对内置小管扰流器的管内流动与换热问题进行求解。将内置不同结构的小管扰流器的圆形通道内的流动与换热特性进行比较,选出最佳的小管扰流器结构,对比分析内置小管扰流器的圆管与光圆管的流场与压力场,研究小管扰流器强化换热的机理。选取综合换热效果最优的圆形通道,研究结构参数(主管的间距、主管的直径、小管扰流器的长度以及小管扰流器与竖直方向的夹角)对圆形通道内流动与换热的影响。  其次,使用UDF编辑周期性变化的速度入口,研究入口速度呈正弦变化时,内置小管扰流器的圆形通道内的流动与换热特性。首先了一个周期内,特征数即努塞尔数、摩擦系数随时间的变化,究脉动振幅和频率对流动与换热的影响。为了深入地阐述相应的强化传热的物理机制,同步计算场协同角。最后计算脉动流下的火积耗散,应用火积耗散的相关原理,研究了不同的脉动速度下流体的传热机理。  最后,根据仿真得到的数据值,通过对内置小管扰流器的圆形通道内的特征值进行线性回归,得到综合换热因子的表达式,根据结构设计参数的受限约束,建立综合换热因子的优化数学模型,编写了优化仿真程序,进行了优化分析,得出了最佳的小管扰流器结构参数。
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