波節(jié)管管束流動與傳熱特性及結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究.pdf

1、本文主要針對波節(jié)管換熱器展開研究，內(nèi)容集中在管間流動換熱和殼程進(jìn)口整流上。首先對三角形波節(jié)管管束的布置形式進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上提出錯(cuò)位波節(jié)管管束，并對其進(jìn)行深入分析，利用minitab軟件進(jìn)行響應(yīng)曲面優(yōu)化。而后對殼程進(jìn)口進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并對整流效果進(jìn)行模擬分析。具體如下：
　　(1)從換熱器中抽取出了三角形管束換熱單元，并提出一種新型的錯(cuò)位波節(jié)管管束。其次對波節(jié)管管束進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，即當(dāng)主流區(qū)網(wǎng)格大小為0.55

2、左右可保證精度。而后結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式并用兩種湍流模型對光管管束模型進(jìn)行了計(jì)算及對比分析，發(fā)現(xiàn)采用Realizable k-ε與經(jīng)驗(yàn)公式的吻合度較好，且其誤差均控制在15％以內(nèi)。對比研究了傳統(tǒng)和錯(cuò)位波節(jié)管管束在不同雷諾數(shù)下對傳熱性能的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)兩種管束的離散突起聚集狀態(tài)的不同對流動換熱有著較大的影響，錯(cuò)位波節(jié)管管束將波節(jié)錯(cuò)位，離散波節(jié)的擾動大幅降低，但增大了流體擾動的頻率，從而具有更低的阻力特性，在溫差下降時(shí)保持基本相同的換熱特性。即錯(cuò)位

3、波節(jié)管可在換熱性能相近的前提下，大幅提高阻力性能，從而其綜合換熱性能相比傳統(tǒng)波節(jié)管管束可提高7-24%。
　　(2)在改變波高、波距、管距和流速下，研究了錯(cuò)位波節(jié)管管束的傳熱性能、阻力性能以及綜合傳熱性能，并結(jié)合局部Nu和ΔP進(jìn)行了細(xì)致分析。發(fā)現(xiàn)增大波節(jié)間距，換熱性能和阻力降低且下降幅度逐漸減小，而管束的η逐漸增大且最大幅度逐漸減小。增大波節(jié)高度，換熱性能和阻力基本成比例提高，但阻力的增加幅度較大，致使換熱性能管束的η下降。增大管

4、間距，換熱性能相對光管逐漸降低且下降幅度越來越小，阻力相對光管逐漸提高，η則隨之降低。
　　(3)針對錯(cuò)位波節(jié)管管束，在改變各結(jié)構(gòu)參數(shù)下，對錯(cuò)位波節(jié)管管束的速度場、溫度場、壓力場、湍動能及湍流耗散率等進(jìn)行了細(xì)致分析。發(fā)現(xiàn)波節(jié)間距增大，離散波節(jié)對流體擾動大小不變，而同一流程上的平均速度呈非線性下降，從而換熱性能及阻力呈現(xiàn)減小幅度降低的非線性下降。波節(jié)高度越大，離散波節(jié)對流體的擾動呈線性增大，換熱性能呈線性增加，由于相鄰波節(jié)的湍流核心

5、區(qū)相互疊加增強(qiáng)，阻力呈現(xiàn)增幅增加的非線性變化。管間距越大，流速越低，離散波節(jié)對流體擾動大幅下降，換熱效果隨著降低，湍流核心區(qū)及湍動能減小。
　　(4)采用minitab軟件結(jié)合四種影響因子對五種響應(yīng)值進(jìn)行了響應(yīng)曲面分析。通過方差分析，運(yùn)用P和F對單因子，交互因子和平方因子的顯著性進(jìn)行了排序，并通過響應(yīng)曲面分析，對因子與響應(yīng)值的影響規(guī)律進(jìn)行了揭示。剔除非顯著因子得到最優(yōu)擬合二元回歸方程，利用帕雷托優(yōu)化設(shè)計(jì)來得到一對矛盾響應(yīng)值Nuc/

6、Nus和fc/fs的最優(yōu)曲線，進(jìn)而得到η的極大響應(yīng)，當(dāng)Nuc/Nus為1.43時(shí)，可獲取最小的fc/fs為1.585，此處對應(yīng)的綜合傳熱系數(shù)為1.845。
　　(5)針對換熱器殼程進(jìn)口結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。對比發(fā)現(xiàn)新型換熱器殼程區(qū)域流速較高且較為平穩(wěn)，基本為縱掠管束流動。而后，針對梳形擋板的不同結(jié)構(gòu)研究了相應(yīng)的殼程流動狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)梳形擋板取第一種類型，整流孔占比Φ為12.81%時(shí)，流體達(dá)到穩(wěn)定流動的殼程長度較小，不均勻度的峰值最