（化工过程机械专业论文）多尺度紧凑肋板换热器流动与传热的系统研究.pdf

博士学位论文 摘要 肋板换热器作为一种新型的强化传热装置，以其传热效率高、结构紧凑、适应性 强等特点，广泛应用于空气分离、能源与动力、石油化工、制冷与空调等工业领域。 同时，随着现代加工技术和微加工技术的不断发展，肋板换热器的发展正趋于小型化、 微型化。微肋板换热器的出现预示着对其的研究跨入了一个新的领域。因此，研究肋 板换热器在不同尺度下的流动与传热强化规律具有重大的现实意义和学术价值。本文 采用试验、数值模拟和理论分析对常规尺度下以及跨尺度下肋板换热器内部单相以及 多相流动传热特性进行了研究；应用遗传算法结合神经网络的方法，建立了肋板换热 器优化设计方法。主要研究内容和结论如下： ( 1 ) 采用稳定态法设计并实现了多种工况下的肋板结构的单相传热与流动性能 试验，获得了其在更为广泛的r p 数( 1 0 r e 8 0 0 0 ) 下的热力特性( 舭- ，和r g 厂) 曲 线。试验结果表明：传热因子，和摩擦因子厂均随雷诺数r p 的增大而递减。在低r p 数区域( 1 0 r e 2 0 0 ) ，相同高度和厚度的平直肋，肋间距对其传热和流动的影响较 小；而对于相同高度以及厚度的锯齿肋，在试验研究的所有雷诺数胎范围内，因子 随着肋片间距的增加而下降，厂因子随着肋片间距的增大而增大。 ( 2 ) 以典型肋片型式“锯齿肋”为研究对象，采用c f d 软件对其内部的传热与 流动进行了数值计算；并将数值计算结果、试验结果以及经验关联式结果进行了分析 比较；同时，通过局部特性分析深入探讨锯齿肋内部传热流动的一般规律。结果表明： 传热因子，和摩擦因子厂的试验结果和数值模拟吻合的较好，因此，通过本文建立的 锯齿肋的计算流体动力学模型，结合少量试验将可以用来预测其它锯齿肋的流动传热 性能。局部n u 在通道入口附近最大，并在流动方向上迅速减小，这体现了锯齿肋传 热的入口效应。另外，局部n u 随着如数的增加而增大。将几种锯齿肋表面性能曲 线的数值模拟结果、试验数据和经验关联式计算结果进行了比较发现，数值分析方法 得到的锯齿肋的传热流动特性的结果远远优于经验关联式的结果，这也表明本文建立 的预测模型，具有一定的可靠性，可以作为肋板换热器优化设计和性能预测的参考。 ( 3 ) 深入探讨物性随温度变化、不同湍流计算模型以及网格独立性对常规尺度 肋板换热结构传热流动的数值计算精度的影响。对网格独立性的研究结果表明：r e 数越高，要求网格数量越多。因此，针对不同的流动状态，可划分不同的网格数量， t 摘要 可以在节省计算资源的同时得到更准确的结果；对比试验结果，r s m 模型与肛模型 能够较准确的预测肋板结构的传热流动性能，而肛模型的预测误差偏大，温度场与 速度场都表现一定的不均匀性；对比采用常物性的计算结果，变物性的数值计算能够 获得更高的预测精度。 ( 4 ) 开发了一种用于电子散热领域的新型相变肋板换热器，采用蒸馏水和乙醇 作为传热工质，完成其在不同充液率、不同真空度以及不同风速下的相变换热试验。 结果表明：在本文试验条件下，此新型换热结构在功率达到1 0 0 w 时，热源表面的最 高温度未超过6 5 0c ，具有良好的散热能力；采用适当的真空度和充液率，可以在降 低热源表面温度的同时增大新型肋板换热器的散热热通量；热源的表面温度随空气流 速的增大而降低，但是当风速持续增大到某点之后，温降的幅度会减弱；在相同充液 率情况下，充装蒸馏水的散热效果要优于乙醇。 ( 5 ) 采用c f d 软件对新型相变肋板换热器内部传热与流动进行数值计算，分析 了网格独立性的影响，并将试验结果与数值计算结果进行了分析比较。在此基础上， 研究冷介质通道内不同结构参数及类型的肋对其性能的影响，结果表明：数值计算结 果与实验结果吻合的较好，说明本文的数值方法是有效的，准确的。对冷介质侧为平 直肋的情况，随着肋片间距的增大，换热器传热效率下降，压降也随之减小；随着肋 厚的增加，传热效率提高，压降增大，但提高幅度较少；模拟中得到冷介质侧为锯齿 肋时存在扰流从而强化传热，其散热效果优于平直肋的情况，但伴随着压降也随之增 大。 ( 6 ) 开发了跨尺度肋板换热结构，采用水作为传热工质，完成其在不同充液率、 不同真空度以及不同风速下的相变换热试验。并分析比较了不同结构、不同材料跨尺 度肋板换热器的热力特性。结果表明：在本文试验条件下，跨尺度换热结构在功率达 到1 0 0 w 时，热源表面的最高温度未超过6 5 。c ，表现出良好的散热能力；采用适当 的真空度和充液率，可以在降低热源表面温度的同时增大新型肋板换热器的散热热通 量；热源的表面温度随空气流速的增大而降低；在试验初始条件相同的情况下，振荡 型微肋槽结构比矩形微肋槽结构散热性能好；材料对跨尺度换热器传热性能影响较 小，因此，在考虑经济性、实用性的前提下，选择价格适宜的材料将更有利于有效率 地发挥跨尺度肋板换热器的散热优势。 ( 7 ) 从常规尺度肋一板结构换热器的设计出发，提出了一种神经网络结合遗传算 法的优化策略，分别以“重量最轻”以及“经济性最佳 两种角度对其结构进行几何 t t 博士学位论文 参数优化。结果表明：对肋板换热器优化设计而言，“重量最轻”是为了获得最低的 投资成本；而“经济性最佳 考虑了传热以及压降的综合影响，后者的节能意义更为 重大；对比传统的单一遗传优化算法而言，本文提出的遗传算法结合神经网络的优化 策略计算时间更短，计算效率更高。 关键词：肋板换热器跨尺度锯齿肋表面性能数值模拟遗传算法神经网络 i i i a b s t r a c t a b s t r a c t f i n p l a t eh e a te x c h a n g e r ( f p 腿) a san e wt y p eo fe n h a n c e dh e a tt r a n s f e re q u i p m e n t ， 谢mi t s1 1 i g hh e a tt r a n s f e re f f i c i e n c y ，c o m p a c tc o n f i g u r a t i o n ，s t r o n ga d a p t a b i l i t y ，e t c ，a r e w i d e l yu s e di na i rs e p a r a t i o n ，e n e r g ya n dp o w e r ，p e t r o c h e m i c a li n d u s t r y ，r e f r i g e r a t i o n ， a i r c o n d i t i o n i n ga n ds oo n a tt h es a m et i m e 、析mt h ed e v e l o p m e n to fm o d e mm a c h i n i n g t e c h n o l o g ya n dm i c r o f a b r i c a t i o nt e c h n o l o g y ，t h ef p h ea r eb e c o m i n gs m a l l e ra n d m i n i a t u r i z e d 1 1 1 ef i r s ta p p e a r a n c eo fm i c r of p h ei n d i c a t e st h a tt h er e s e a r c hw o r kh a s c o m ei n t oan e wa r e a t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho nf l o wa n dh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c eo f d i f f e r e n ts c a l ef p h ei sv e r ys i g n i f i c a n ta n dh i g ha c a d e m i cv a l u e i nt h i sp a p e r ，t h e s i n g l e - p h a s ea n dp h a s e - - c h a n g ef l o wa n dh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c so fc o n v e n t i o n a l - s c a l e a n dm u l t i - s c a l ef p 髓w e r ei n v e s t i g a t e de x p e r i m e n t a l l y ，n u m e r i c a l l ya n dt h e o r e t i c a l l y a n dan e wm e t h o du s i n gt h ea r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ( a n n ) c o o p e r a t e dw i t hg e n e t i c a l g o r i t h m ( g a ) w a sp r e s e n tt of m dt h eo p t i m a ld e s i g np a r a m e t e r so ff p h e 1 1 1 em a i n r e s e a r c hc o n t e n t sa n dr e s u l t sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： ( 1 ) av a r i e t yo fs i n g l e p h a s ep e r f o r m a n c et e s t so ff p h ea r ec a r r i e do u tu s i n gs t e a d y s t a t em e t h o d n l er e - ja n dr e - fd i s t r i b u t i o n sf o rt h er e y n o l d sn u m b e rr a n g e sf r o m10t o 8 0 0 0a r eo b t a i n e d 1 1 1 et e s t i n gr e s u l t si n d i c a t e dt h a tb o t ht h ec o b u mf a c t o rja n df r i c t i o n f a c t o rfa r ed e c r e a s i n g 、i t l li n c r e a s i n gr e y n o l d sn u m b e r a tl o wr en u m b e rr e g i o n ( 10 r e 2 0 0 ) ，p i t c ho fp l a i nf mh a dl i t t l ei n f l u e n c eo nh e a tt r a n s f e ra n df l o wc h a r a c t e r i s t i c s 、析t l lt h es a m eh e i g h ta n dt h i c k n e s s a n df o rt h es a m ef i nh e i g h ta n df i nt h i c k n e s so f s e r r a t e df i n ，ag e n e r a li n c r e a s ei nt h ef i np i t c hc o m e s 、i t l lad e c r e a s eo fc o b u r nf a c t o rj a n da ni n c r e a s eo ff r i c t i o nf a c t o r f i ( 2 ) at h r e ed i m e n s i o n a lc o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ( c f d ) s i m u l a t i o no ff l o wa n d h e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c si ns e r r a t e df i n sw a sc a r r i e do u t a l s ot h ec o m p a r i s o no fh e a t t r a n s f e rc o b u r nf a c t o rja n df r i c t i o nf a c t o rfa m o n gt h ee x p e r i m e n t a ld a t a , n u m e r i c a l s i m u l a t i o na n dt h er e s u l t sc a l c u l a t e db ye m p i r i c a lc o r r e l a t i o n sw a sa n a l y z e d m e a n w h i l e ，a d e t a i ld e s c r i p t i o no fl o c a la n da v e r a g eh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c so ft h es e r r a t e df i n sw a s p r e s e n t e da n dd i s c u s s e d ag o o da g r e e m e n tw a sa c h i e v e db e t w e e nt h ee x p e r i m e n t a ld a t a a n dn u m e r i c a lp r e d i c t i o n sf o r t h eja n dff a c t o r s h e n c e ，t h en u m e r i c a la n a l y s i sp r o c e d u r e p r o p o s e di nt h i sp a p e rc a nb eu s e dt op r e d i c tt h ep e r f o r m a n c eo fn e wt y p ef i n s 功el o c a l n uv a l u e sw e r eg r e a t e s tn e a rt h ec h a n n e li n l e ta n dd e c r e a s e dr a p i d l ya l o n gt h ef l o w d i r e c t i o n s ，w h i c hs h o w st h ee n t r a n c ee f f e c ti nf p h e f u r t h e r m o r e ，t h el o c a ln u s s e l t l v 博士学位论文 n u m b e ri n c r e a s e d 、析mi n c r e a s i n gt h er e y n o l d sn u m b e ra to i lf l o wr a t e t h er e s u l t s o b t a i n e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o nw e r em o r ea c c u r a t et h a nt h a tt h er e s u l t sc a l c u l a t e db y e m p i r i c a lc o r r e l a t i o n s ，w h i c hv a l i d a t e df e a s i b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo f t h en u m e r i c a lm o d e l s ( 3 ) v a r i o u sp a r a m e t e r sa f f e c tt h ec o m p u t a t i o n a la c c u r a c yo ft h eh f p rh e a tt r a n s f e r a n df l o wc h a r a c t e r i s t i c s t h ee f f e c to ft h r e ep a r a m e t e r s ：v a r i a b l ep h y s i c a lp r o p e r t i e s ( t e m p e r a t u r ed e p e n d e n c e ) ，d i f f e r e n tt u r b u l e n c em o d e l sa n dg i r di n d e p e n d e n c ew e r e i n v e s t i g a t e da n dd i s c u s s e d t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h eh i g h e rr e y n o l d s n u m b e ri s ，t h em o r ec o m p u t a t i o n a lc e l l sa r en e e d e d t h e r e f o r e ，a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n t f l o wp a t t e r n s ，t h ec o m p u t a t i o n a ld o m a i nc o u l db ed i v i d e di n t od i f f e r e n tn u m b e ro fc e l l si n o r d e rt os a v et h ec a l c u l a t i n gt i m ea n dg e tm o r ea c c u r a t er e s u l t s c o m p a r i n gt h et e s t i n g r e s u l t s ，t h ef l o wa n dh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c eo ff p h ew a sa c c u r a t e l yp r e d i c t e db yr s m m o d e la n dk - em o d e l h o w e v e r ，t h ep r e d i c t i o nm a d eb yk - c om o d e lh a sr e l a t i v e l yl a r g e e r r o r s ，b o t ht h et e m p e r a t u r ea n dv e l o c i t yd i s t r i b u t i o n ss h o w e ds o m en o n u n i f o r m i t y a l s o t h en u m e r i c a lr e s u l t so b t a i n e d 、析mv a r i a b l ep h y s i c a lp r o p e r t i e ss h o w e dh i g h e rp r e d i c t i o n a c c u r a c yt h a nt h a to b t a i n e d 、加t l lc o n s t a n tp h y s i c a lp r o p e r t i e s ( 4 ) an o v e la n dh i g he f f i c i e n td i f f u s i o nw e l d e df p h ew a sp r o p o s e da n dd e s i g n e d u s i n gd i s t i l l e dw a t e ra n de t h a n o la sw o r k i n gf l u i d s ，as e r i e so ft e s t sw e r ec a r d e do u tt o f i n dt h ei n f l u e n c eo ft h r e ep a r a m e t e r s ( w o r k i n gf l u i df i l l i n gr a t i o s ，v a c u u md e g r e e sa n da i r f l o wv e l o c i t i e s ) o ns t e a d y s t a t eh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c so ff p h e t h er e s u l t si n d i c a t e d ag o o dh e a td i s s i p a t i o np e r f o r m a n c e ，w h e nt h eh e a tl o a dr e a c h e sio o w , t h em a x i m u m s u r f a c et e m p e r a t u r eo fh e a t i n gc y l i n d e rw a sw i t h i n6 5 0 cu n d e rt h et e s tc o n d i t i o n si nt h i s p a p e r a na p p r o p r i a t ef i l l i n gr a t i oa n dv a c u u md e g r e es h o u l db ec h o s e nf o ri m p r o v i n gh e a t d i s s i p a t i o no ft h es y s t e m a n dt h eh e a ts o u r c et e m p e r a t u r eh a dd e g r e s s i v es l o p ef o rt h e i n c r e a s et h ea i rf l o wv e l o c i t y c o m p a r e dw i t ht h ef p h ec o o l i n gc a p a c i t yu s i n gv a r i o u s w o r k i n gf l u i d s ，i tw a sf o u n dt h a tt h ec o o l i n gs y s t e mu s i n gd i s t i l l e dw a t e rh a das t r o n g e r h e a td i s s i p a t i o nc a p a c i t yf o rt h es a m ef i l l i n gr a t i o ( 5 ) ac o m p u t a t i o n a ls i m u l a t i o no ff l o wa n dh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c ei nan o v e l f p h em o d e lb yu s i n gc f ds o f t w a r ew a sc a r d e do u t ，a n dt h ee f f e c to fg r i di n d e p e n d e n c e w a sa n a i y z e d a l s ot h en u m e r i c a lr e s u l t sw e r ec o m p a r e d 、析mt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s o n t h i sb a s i s ，t h ee f f e c to fd i f f e r e n tg e o m e t r i cp a r a m e t e r sa n dd i f f e r e n tt y p ef i n so nc o l ds i d e w a ss t u d i e da n dd i s c u s s e d t h en u m e r i c a lr e s u l t si n d i c a t e dag o o dc o h e r e n c e 、 ，i mt h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，w h i c hv a l i d a t e dt h ef e a s i b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h en u m e r i c a lm e t h o d w h e nt h ec o l ds i d ew a sp l a i nf i n ，t h eh e a tt r a n s f e re f f i c i e n c ya n dp r e s s u r ed r o pb o t h v a b s l k a c l d e c r e a s e df o rt h ei n c r e a s eo ff i np i t c h o nt h ec o n t r a r y ，ag e n e r a li n c r e a s ei nt h ef i n t h i c k n e s sc o m e s 诵t 1 1am i n o ri n c r e a s eo fh e a tt r a n s f e re f f i c i e n c ya n dp r e s s u r ed r o p a n d c o m p a r e d 埘mt h o s ec o o l i n gp e r f o r m a n c eo ff p h e s ，t h ec o l ds i d eu s i n gs e r r a t e df i n sh a da s t r o n g e rh e a td i s s i p a t i o na n dh i g h e rp r e s s u r el o s st h a nt h a tu s i n gp l a i nf i n s d u et ot h e s e r r a t e df i na c tt oi n t e r r u p tt h ef l o ww h i c hi n t e n s i f i e dt h eh e a tt r a n s f e ra n di m p r o v e dt h e f l o wr e s i s t a n c e ( 6 ) an o v e lm u l t i - s c a l ef p h ew a sp r o p o s e da n dd e s i g n e d u s i n gd i s t i l l e dw a t e ra s w o r k i n gf l u i d s ，as e r i e so ft e s t sw e r ec a r r i e do u tt of i n dt h ei n f l u e n c eo ft h r e ep a r a m e t e r s ( w o r k i n gf l u i df i l l i n gr a t i o s ，v a c u u md e g r e e sa n da i rf l o wv e l o c i t i e s ) o ns t e a d y - s t a t eh e a t t r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c so fm u l t i s c a l ef p h e t h et h e r m a lp e r f o r m a n c e so ft h em u l t i s c a l e f p h e s 、析t l ld i f f e r e n ts t r u c t u r e sa n dd i f f e r e n tm a t e r i a l sw e r ea l s oc o m p a r e da n da n a l y z e d t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tw i t h i nt h ee x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s ，w h e nt h eh e a tl o a dr e a c h e s 10 0 w ，t h em a x i m u ms u r f a c et e m p e r a t u r eo fh e a t i n gc y l i n d e rw a sl o w e rt h a n6 5 0 c a n a p p r o p r i a t ef i l l i n gr a t i oa n dv a c u u md e g r e es h o u l db ec h o s e nf o ri m p r o v eh e a td i s s i p a t i o n o ft h es y s t e m a n dt h eh e a ts o u r c et e m p e r a t u r eh a dd e g r e s s i v es l o p ef o r t h ei n c r e a s et h ea i r f l o wv e l o c i t y u n d e rt h es a m ei n i t i a lt e s tc o n d i t i o n s ，t h em u l t i - s c a l ef p h e 晰t hm i c r o o s c i l l a t i n gh e a tf i ns t r u c t u r eh a db e t t e rh e a td i s s i p a t i o np e r f o r m a n c et h a nt h a t 、析t l lt h e m i c r or e c t a n g u l a rh e a tf i ns t r u c t u r e t h em a t e r i a lh a dl i t t l ei n f l u e n c ei nh e a tt r a n s f e r p e r f o r m a n c eo fm u l t i - s c a l ef p h e h e n c e ，t h ea p p r o p r i a t es e l e c t i o no fm a t e r i a li sh e l p f u lt o e x e r tt h ec o o l i n gc a p a c i t yo fh f p re c o n o m i c a l l ya n de f f i c i e n t l y ( 7 ) b a s e do nt h ed e s i g nm e t h o df o rt h ec o n v e n t i o n a lf p h e ，am a j o rp r o c e d u r eh a d b e e nd e v e l o p e dt or u nt h eg ac o m b i n e d 、析t l la n nm e t h o da n dt of i n dt h e g l o b a l m i n i m u mw e i g h ta n dt o t a la n n u a lc o s t t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a t ，f o rt h eo p t i m a ld e s i g no f f p h e ，t h et o t a lw e i g h tt a r g e te n s u r e sa ne x c h a n g e ro ft h es m a l l e s ts i z e 晰t l lm i n i m u m c a p i t a lc o s t ，w h e r e a st h ea n n u a lc o s tt a r g e ty i e l d st h eo p t i m u mp r e s s u r ed r o p sc o n s i d e r i n g t h eb a l a n c eb e t w e e np o w e rc o n s u m p t i o na n dh e a tt r a n s f e rr a t e i ti so b v i o u st h a tt h ec o s t t a r g e ti sm e a n i n g f u lt ot h ee n e r g yc o n s e r v a t i o n a n dc o m p a r e d 、析mt h et r a d i t i o n a lg a m e t h o d ，g ac o o p e r a t e d 、i t l la n na l g o r i t h m sf o rt h eo p t i m a ld e s i g no ff p h ew a s s i g n i f i c a n t l ye f f i c i e n ta n da d v a n c e d k e y w o r d s ：f i n - p l a t eh e a te x c h a n g e r ；m u l t i - s c a l e ；s e r r a t e df i n ；s u r f a c ep e r f o r m a n c e ； n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ；g e n e t i ca l g o r i t h m v i 博士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i v 第一章绪论1 1 1 研究背景与选题意义1 1 2 前人研究工作综述2 1 2 1常规尺度肋板换热器单相流动传热研究现状2 1 2 2 常规尺度肋板换热器相变流动传热研究现状8 1 2 3 微细尺度肋板换热器单相流动传热研究现状9 1 2 4 微细尺度肋板换热器相变流动传热研究现状1 1 1 3目前研究存在的主要问题1 3 1 4 本文的主要工作1 4 参考文献1 4 第二章常规尺度肋板结构单相热力特性的试验研究2 3 2 1 引言2 3 2 2 稳定态法2 4 2 3 试验系统2 4 2 3 1 空气油试验系统2 4 2 3 2 空气蒸汽风洞试验系统2 5 2 4 试样制备2 5 2 4 1 空气油系统肋板结构2 5 2 4 2 空气蒸汽系统肋板结构2 6 2 5 肋一板结构传热流动试验参数测量及数据采集2 7 2 5 1 主要仪器设备2 7 2 5 2 温度数据采集系统2 7 2 5 3 试验系统温度测量2 8 2 5