（化学工程专业论文）复杂通道中湍流与热传递的场协同研究.pdf

撼要 摘要 寻求多种强化换热的方法是从辫传热研究人员一直努力的方向。传热学这门 学科在全世界的努力下，已经在每个应用领域取得了巨大的进展。传热举发展到 了今天，在传统减薄迭赛层的厚度蠛破坏边界滕躲方法基皴上，我国科攀家提出 了一种强纯换热静新理论，即场协弼理论。这个理论谈为，强纯佳燕的滔的可班 通过协同速度场与热流场的关系来达到。这个理论一经提出，就得到了困家教育 部、中国科学院的重视，被列为“国家重点基础研究发展规划”中解决离效节能 关键科学闷藤稳瑾论豢导。 本文针对工程中大最存在的湍流流动现象，研究了管内流动和管外流动的场 协同控制机理，通过数德模拟的方法分析了时均速度矢量、时均温度梯度矢量及 二蠹阕夹燕霹滚钵换热耱力鲍非用，并搀塞了一些改进换热麴颓措燕。 首先研究了管肉湍流流动。通过对二维湍流流动麓量方程的分析推罨，得至 了影响对流换热强度的备个因素。提出湍流流坜的传热层流底层中，n u 数不仅 与传热时均温差a t 、倦热层流底鼷的厚度占相必，也与流体的时均热流场与时 麓速菠场爽是余弦萤c o s a 稳关。邋逶数蕴搂羧麴方法验谣了溺谤司关系对滚流 流体对流换热的影响。以横纹管为例，通过流体在不同肋高的横纹管中湍流流动 时场协同穰度的比较，得出改变速度边界层中流体的冲刷状态是有效地控制湍流 场蛰瘸熬一爨方法。 根据场协同理论，分析了控制缩放管中流体湍流换热能力的因素，发现湍流 流动并不总是提高热量传递能力。程收缩段中，泓度梯度与遮度的夹角余弦为正， 滚动强化了按热；当流速与温度梯魔魄夹角为9 0 0 时，流动簿换热无贡献；在扩 张段孛，流速与温度撵笈的夹煮犬予9 0 。，流动爱丽减骚了憨豹挨燕量。在缩教 管肋高不变的情况下，增加收缩段的长度，减少扩张段的长度，可以提商缩放管 总的换热能力。 枣戴鬟痊了一秘耱鼙续藏警彩式，在善邋绒液警优蘧缝镌懿基毯上，将扩张 段的长度躐到最少，可提高其换热熊力4 6 7 一8 3 4 。同时谗增大了流体的阻力 损失7 8 7 1 5 2 2 。改型缩放管较之普通缩放管的综合换热性能有所掇高，在 r e = 1 5 0 0 0 5 0 0 0 0 ，r = 1 0 0 8 1 0 6 e 本文鹃第二部分楚研究管井静场协同视毽，对小r e 数情况，矮数德模损方 法分析了圆管束和椭圆管束的流动和换热特性。并在相同r e 数或压降下，比较 了它们各自控制换热的优势。在高r e 数下，邋过对外掠四种不同长短轴比例的 糖国营素豹实验硬变，褥到了它稻豹挟燕彝浚韵疆力与翼e 数翡关联式。在耪司 压降下，当a ：b = 2 8 ：1 时，椭圆管的综合换热饿能最好。 华南理工大学工学博士学位论文 本文在实验结果的基础上，在相同压降下比较了周长和管间距一样的椭圆翅 片管的热力性能。发现，在小压差时，椭圆平直翅片管的换热能力不如圆形平直 翅片管。但当r e 。 2 8 8 2 时，相同压降下椭圆平直翅片管( a ：b = 2 - 8 ：1 ) 的换热 能力高于圆形平直翅片管。但在开缝翅片管换热器中，椭圆管提高换热能力的空 间不大，当p = 9 0 p a 时，a ：b = 2 8 ：1 的椭圆管的换热能力较之圆管只提高3 0 3 ， 且改变椭圆长短轴的比例，换热的效果相差不大。 总结本文的研究结果，说明只有当速度的模、温度梯度的模及两个矢量场夹 角的余弦值共同作用为最大时，场协同的程度最佳。 关键词：湍流：强化传热；场协同；缩放管；椭圆管 i i a b s t r a c t a b s t r a c t h o wt os e e kt h ew a y st oi m p r o v et h eh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c eh a sb e e nt h e s u b j e c to fm a n yr e s e a r c h e r sa n de n g i n e e r s u n d e rt h ee n d e a v o r so ft h ew o r l d ，h e a t t r a n s f e rh a sm a d e g r e a td e v e l o p m e n t s i n m a n ya p p l i c a t i o nf i e l d s r e c e n t l y , a s c i e n t i s tp r o p o s e san o v e lc o n c e p tf o rc o n v e c t i o nh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n ti no u r c o u n t r y t h a ti s c a l l e dt h ef i e l d - s y n e r g yt h e o r y , w h i c hr e v e a l st h a th e a tt r a n s f e rc a n b ea u g m e n t e di ft h ev e l o c i t yv e c t o r sc o o p e r a t ew i t ht h et e m p e r a t u r eg r a d i e n tv e c t o r s t h et h e o r yo b t a i n st h es u p p o r to ft h ee d u c a t i o nd e p a r t m e n ta n dc h i n e s ea c a d e m y o fs c i e n c e ，a n di tg u i d e sh o wt or e s o l v et h ek e yp r o b l e m sa b o u th i g he f f i c i e n c ya n d e n e r g yc o n s e r v a t i o n t h es t u d yi ss u p p o r t e db yt h em a j o rs t a t e b a s i cr e s e a r c h d e v e l o p m e n tp r o g r a m n o w t h i s p a p e ri n v e s t i g a t e s t h e f i e l d - s y n e r g ym e c h a n i s mo fc o n v e c t i v e h e a t t r a n s f e r a u g m e n t a t i o ni n c l u d i n gt h e t u r b u l e n t f l o w i n gi n a n do u tt h et u b e t h e a c t i o n so f t i m e - a v e r a g e dv e l o c i t y , t e m p e r a t u r eg r a d i e n ta n dt h ea n g l e sb e t w e e n t h e m a r ea n a l y z e dw i t hn u m e r i c a la n de x p e r i m e n t a lm e t h o d s b a s e do nt h e s er e s u l t s ，s o m e n e w w a y s t oi m p r o v eh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c ea r e p r o p o s e d f i r s t l y , a na n a l y s i so fe n e r g yc o n s e r v a t i o ne q u a t i o nf o r2 dd u c tt u r b u l e n tf l o w i sp r e s e n t e d ，t h et i m e a v e r a g e dv e l o c i t i e s ，t e m p e r a t u r eg r a d i e n t sa n dt h e i ra n g l e si n t h ev i s c o u ss u b l a y e ra r et h ef a c t o r st oi n f l u e n c et h en u s s e l tn u m b e r s t h e s er e s u l t s a r ev e r i f i e dw i t han u m e r i c a lm o d e lo f t r a v e r s e - c o r r u g a t e dt u b e t w o r i bh e i g h t sa r e c o m p a r e d ，a n d t h er e s u l t si n d i c a t et h a t c h a n g i n g t h e v e l o c i t yb o u n d a r y i sa n e f f e c t i v ew a yt oc o n t r o lt h es y n e r g yr e l a t i o no ft h et w of i e l d s b a s e do nt h e f i e l d - s y n e r g yt h e o r y , a ni n v e s t i g a t i o n o fh e a tt r a n s f e r c h a r a c t e r i s t i cf o rt h et u r b u l e n tf l o wi nac o n v e r g i n g - d i v e r g i n gt u b e t h er e s u l t s i n d i c a t et h a tf l o wc a ne n h a n c eh e a tt r a n s f e rd u r i n gc o n v e r g i n gs e c t i o n ，b u tw e a k e n t h eh e a tt r a n s f e rd u r i n gt h ed i v e r g i n gs e c t i o nb e c a u s et h ev a l u eo fc o soi sn e g a t i v e s oh e a tt r a n s f e ra b i l i t yc o u l db ei m p r o v e di ft h el e n g t ho fd i v e r g i n gs e c t i o ni s r e d u c e d a d e v e l o p e d t u b ei s p r o p o s e d b a s e do nt h e o p t i m a lc o n f i g u r a t i o n s o f c o n v e r g i n g d i v e r g i n gt u b e a4 6 7 8 3 4 o fi n c r e a s eo f h e a tt r a n s f e ra b i l i t yi s o b s e r v e da n da7 8 7 1 5 2 2 i n c r e a s eo fp r e s s u r e d r o p i ss e e nf o rt h en e w c o n f i g u r a t i o n t h eg e n e r a l e v a l u a t i o nr a t i oi s 打= 1 0 0 8 1 0 6w h e nr e y n o l d s n u m b e rj s l5 0 0 0 5 0 0 0 0 i i i s e c o n d l y ，a ni n v e s t i g a t i o no ff i e l d - s y n e r g ym e c h a n i s mf o ra i rf l o w i n ga c r o s s t h et u b e si sc a r r i e do u tn u m e r i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l y c o m p a r i s o n sb e t w e e nt h e c i r c u l a ra n de l l i p t i ct u b eb a n k sa r es t u d i e d t h ee x p e r i m e n t a lc o r r e l a t i o n sf o rh e a t t r a n s f e ra n df r i c t i o nf a c t o ra r e g a i n e d h o w e v e r ，a no p t i m a lv a l u eo fa x i sr a t i o a ：b = 2 8 ：1i so b s e r v e d l a t e r ，t h ep a p e rd i s c u s s e st h et h e r m a l d y n a m i c sc h a r a c t e r i s t i co f p l a i na n ds p l i t f i n - a n d t u b eh a v i n gc i r c u l a ra n de l l i p t i ct u b ec o n f i g u r a t i o n f o raf i x e dt u b es p a c e a n dt h et u b ep e r i m e t e r ，h e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c ei se n h a n c e df o r p l a i n f i nw i t h e l l i p t i cc o n f i g u r a t i o n ( a ：b = 2 8 ：1 ) a tt h es a m ep r e s s u r ed r o pw h e nt h er e y n o l d s n u m b e ri s b i g g e rt h a n2 8 8 2 b yc o n t r a r i e s ，e l l i p t i cc o n f i g u r a t i o nh a sal i m i t e d i n c r e a s eo nt h eh e a tt r a n s f e r ，a n do n l ya3 0 3 i n c r e a s eo f h e a tt r a n s f e r p e r f o r m a n c e i ss e e nf o rs p l i tf i nw i t he l l i p t i ct u b e s ( a ：b = 2 8 ：1 ) w h e n p r e s s u r ed r o pi s9 0 p a t h e e f f e c to ft h ea x i sr a t i oo nh e a tt r a n s f e r a u g m e n t a t i o nf o rs p l i t f i nw i t he l l i p t i c c o n f i g u r a t i o ni ss m a l l i ns u m m a r y , t h et i m e a v e r a g e dv e l o c i t yv e c t o rf i e l dc o o p e r a t e sb e s tw i t ht h e t e m p e r a t u r eg r a d i e n tv e c t o r sw h e nt h ep r o d u c t so ft h e i rm a g n i t u d e sa n dt h ec o s i n e v m u e so ft h e i ra n g l e sa r eb i g g e s t k e y w o r d s ：t u r b u l e n tf l o w ；h e a tt r a n s f e ra u g m e n t a t i o n ；f i e l d - s y n e r g y t h e o r y ； c o n v e r g i n g d i v e r g i n gt u b e ；e l l i p t i ct u b e i v 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进 行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：。陬喜噍日期：奶年占月尸日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于i 不保密锄。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 谗氛 爱 地秒 1 日期：却弓年占月7 日 日期：弓年6 月日 物理量名称及符号表 物理量名称及符号表 0 ；芦了矛万速度矢羹的模 u y 形 r p k 世 f 占 r 。 d h 矗r r ， a 扩：旦 u 。 v 罗。 ! 三 ( t o 一瓦) a 歹= 誊 譬 d p x 方向的速度 y 方向熬速度 z 方向的速度 温度 压力 渍囊戆 湍流耗散率 换热系数 惑传热溪积 热边界浮度 光滑管中的剪切应力 营径 传熬貘系数 传热表谳总翅化率 总传热灏积 绩熬表甏与滚钵莪瀑差 通道半径 传热因子 涡流导瀑系数 导瀣系数 速度无因次变量 溢痉蠢戮次量 长度无豳次量 局部热滚量 管子赢径 肋的高度 魏戆凌鞭 、， 矽( m 2 髟) i t i m p a m w ( m 2t 蜀) 涨 毗础觚k h w 旭毽 廿夏m 玉玉 锄 m m 接 捧 华南理工大学工学博士学位论文 计算区域的长度 传热涡流混合长度的平均值 节点离管壁的距离 局部努谢尔特数 雷诺数 普朗特数 温度( 或负) 梯度与速度的夹角 节距 换热量 流体的动力粘性系数 收缩段长度 扩张段长度 横向管排数 j = r ( 厅g r a d t ) d y 积分值 静压差 空气的密度 空气与管壁面的换热系数 导热系数 摩擦阻力系数 全压 动压 静压 椭圆长轴 椭圆短轴 质量流量 w e b b 性能比较因子 综合评价因子 平均努谢尔特数 电流值 电阻值 功率 横向管排数 纵向管排数 水柱高度 v i m m m p a k g i ( m 3 置、 w ( m 2 k 、 w ( m 丘1 a q w m 度度 居。 础m ，折m m 工k，帆耻n日，q u 研如 s n n h m m 蟛 ，k 廿p。几厂只只只6 m吁，一m，r矿m胁h 物理量名称及符号表 翅片厚度 管的圆周角 圆管 椭圆管 最大值 最小值 自由来流 壁面 翅片 空气 迎面 平均值 入口 流体 纵向 横向 管径 管壁，光滑管 翅片间距 管外径 m ( 度。) 。口 体。胁w厂口步m m 。，。d ，日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 湍流理论的研究概况 湍流是自然界中最经常最大量存在的流态，粘性流体的湍流流动在自然科学 和工程技术领域有着很重要的地位。流体在湍流流动时，它的速度、压力、温度 等物理量随时间和空间都以脉动的方式变化着，不同周期和不同振幅的脉动变化 意味着湍流运动有很复杂的结构。从物理结构上说，可以把湍流看成是由各种不 同尺度的涡旋叠合而成的流动，这些涡旋的大小及旋转轴的方向分布是随机的。 大尺度的涡旋主要由流动的边界条件所决定，其尺寸可以与流场的大小相比拟， 是引起低频脉动的原因；小尺度的涡旋主要是有粘性力所决定，是引起高频脉动 的原因。这种复杂的结构影响着流动的许多性质，使其与层流有很大的不同：湍 流具有大得多的动量交换能力和热量交换能力，有能使质点悬浮和扩展化学反应 的能力，湍流还使音波和电磁波散射，并导致它们的振幅和相位脉动。 从纯理论的角度看，湍流是一个有极大自由度的非线性关系的典型例子，对 湍流的完全准确描述是极其困难的，甚至根本没有希望对每个特定的流动进行严 格的时间相关的数学描述。所以有人说，湍流是流体力学中至今还未得到解决的 最后一个难题。 在湍流研究的发展过程中，相似理论和量纲分析有着很重要的作用。1 8 8 3 年，r e y n o l d s 1 1 首先提出了由层流转变为湍流的条件，他将流动中的所有物理量 表示为平均的和脉动的两部分之和，放弃了对湍流复杂的不断变化的瞬时流场进 行准确描述的企图，而只研究平均值。从而提出了有名的雷诺方程。t a y l o r 在 湍流研究中引入了关联函数的概念，利用实际气体的运动方程来建立湍流场的任 何阶的关联函数的偏微分方程组。如果这些方程组能解出，则可以得到湍流随机 场的精确解。但遗憾的是，方程组不是封闭的。 在后来的许多理论工作都是致力于克服与封闭问题有关的难题。因为在湍流 介质中动量和热量的交换基本上是由大尺度分量承担的，在湍流理论的发展过程 中首先研究了大尺度分量，在大量实验研究的基础上形成了湍流的半经验理论， 这些成果对于解决许多重要实际问题是有价值的。但由于这些理论采用的假设往 往没有可信的物理基础，它没能对湍流的物理属性的了解做出大的贡献。对湍流 小尺度分量的研究是湍流理论研究的另一个方向，t a y l o r 引入了“均匀和各向同 性湍流”的概念，使前述的方程组在数学上得到大大的简化。k o l m o g o r o v 瞄1 提出 了“局部各向同性”的理论，将湍流脉动按尺度大小划分三个区域。一个是充 能区。这个区域的涡尺度最大，大涡从平均运动吸取动能，变平均运动的能量为 华毒瑾工夫学王学搏士学经论文 湍流脉动量，在这个尺度范围内，粘性基本不起作用，不发生湍流能量耗散为热 的转变。第二个区域是惯性区，它既不直接从平均运动吸取能量，也基本不将脉 麓动麓耗鼗为热爱，柩瞧逛不起搏掰，这令区壤瓣基本痒弱怒潦滚滚毙羹获主一 级的涡依次传递个下一缀的涡。第三个区域是耗散区。这个区域的运动尺度最小， 粘性起重要作用，湍流能连转变为热能的耗散过粳主要发生在这个区域。 溃凌磺究正在不叛灞臻密募愚怒、毅愚路，我蓬藏美学卷余振苏教授0 1 凝遥 提出了流流屡次结构理论，在国际湍流界引起广泛关注及获得了大量酌实验验 证。我国科学界正在进一步加强协作，相互支持，凝聚力量，争取在湍流研究的 瑷论及应用方面上一个新台晗，带动一批相关学科救发展。 1 2 湍流的数值模拟方法 关于湍流运动的数愎计算，是目前计算流体力学中困难最多因而研究最活 跃静矮蠛之一。特剐是鑫速诗羹撬溜夔戳寒，套耱滚滚模型秘王程诗算方法魏瑟 精春笋般遗发展起来，成为连接湍流理论和应塌的桥梁。已经采用的计冀方法可 大致分为以下三类【4 j ： 1 直接模拟：运用三维非稳态蛇n a v i e r - s t o k e s 方程对湍流逖行直接数德计算， 这秘方法需要采蔫镶小缒靖阉与空阔步长，才戆分辨懑演流中详绥秘空闻 结构及变化剧烈的时间特性，目前计算机的速度和内存空间还不能满足工 程计算的需要，除非使用超级计算机才能从舔这一类计辫。 2 大漏攫缀：摄据茕瓣阐述戆滚滚理论，瀑浚豹藤魂与溅台主要是鑫大足度 的涡造成的。大涡梭拟的方法旨在用菲稳悫的n a v i e r s t o k e s 方程采模拟大 尺度涡，小涡对犬涡的影响通过近似的模型来考虑。大涡模拟的方法被认 为是解决溘流流动簸有应用前景鲍方法，运用此方法已在许多领域取荦导了 有价值鹃藏采。 3 r e y n o l d s 时均方程的模拟：根据r e y n o l d s 的方法，将非稳态控制方程对时 间做平均，再作出假设，使方程组封闭。这种方法是瞄前工程湍流计算中 罴雳爱多的方法。臻r e y n o l d s 辩筠方程申，又分r e y n o l d s 痤力方疆法及潺 流粘性系数法两大爽。我国著名科学家周培源 5 1 提出涡墩脉动平方平均值的 方程，使得r e y n o l d s 应力方程封闭，这就是1 7 方程模型。湍流粘性系数法 中根据b o u s s i n e s q 假设，将湍流应力表示戚滚滚粘性系数臻的函数，依据 确定就鹣微分方程数目的多少，建立了零方程、一方穗及两方程模鍪，其 中工程运用最广的就是k 一两方程模型。 下面将详细地介绍k s 两方程模型。 p r a n d t l 髑k o l m o g o r o r 2 1 谈为麓浚旗缝系数旋与溃滚零赛夔特t 莲量鸯关，毽 们将湍流脉动造成附加应力的过程与分子扩散造成应力的过程相比拟，设想湍流 第一章绪论 粘性系数应当与脉动的特性速度及脉动的特性尺度的乘积有关，湍流脉动动能的 平方根，即置“2 ，可以作为湍流脉动速度的代表。他们提出了计算仇的下列表达 式： 仉= c ：肚“2 z ( 1 - 1 ) 其中c ：是经验系数，f 是湍流脉动的长度尺度，根据我国著名科学家周培源先生 提出的能量耗散理论来计算z ， = 2 1 ( 1 2 ) c d 是经验系数，s 为湍流中单位质量流体脉动动能的耗散率，则， c d 仇2 c ：肚“2 7 = ( c 二c 。) 肚2 1 2 。肚2 7占(1-3) 其中c ，= c ：c d ( 1 - 4 ) 求解湍流流动的速度场，控制方程除了包括连续性方程、动量方程外，还应包含 k 、e 及湍流粘性系数仇的表达式，这几个方程可表示为以下的通用形式， a i l , ( p u c j ) = d i v ( f g r a d 庐) + s ( 1 5 ) 式中由分别为通用变量，可以代表u 、r 、w 、k 、c 等求解变量，u 为速度矢量 ( = u d x + 脚+ w d z ) ，f 为个变量的扩散系数，s 为个变量的源项，下面逐一介 绍。 对u 、v 、w ：f = 叩盯= 刁+ 刁， k ：r ：力+ 互 盯t ：1 1 ：行+ 丑 盯5 t ：r ：旦+ 卫 p r 盯r 源项s 的表达式分别为： u ：一篆+ 昙c 争+ 昙( r l , go v + 昙c 争 v ：s 一爹+ 鲁c 等+ 号c 刁盯旁+ 昙c 予 w ：s 一警+ 鲁c 刁盯警+ 熹c 叩酊警，+ 鲁c 玎盯警， k ：s = 加 一p e s ：s = 2 - ( c l 印 一c 2 p e ) 其中， 华南理工大学工学博士学位论文 q = 告 ：i 罢 2 + ( 詈 2 + ( 罚2 + 詈+ 尝) 2 + 罢+ 豢) 2 + ( 警+ 等) 2 通过对控制方程( 1 1 ) ( 1 5 ) 的离散化，用数值计算的方法就可求解流 场中速度的分布情况。 1 3 强化传热技术 热量往往依赖流体流动来传递。传热面传热系数的大小，与流体流动的形式 分不开。湍流流动的流体传递能量的能力比层流流动时大许多，因此流体速度场 的分布情况往往决定了它的温度场分布情况。大多数常用的两流体换热器的流动 有三种基本形式：( 1 ) 管内流动；( 2 ) 横掠管束或管壳内管外侧流体的流动；( 3 ) 板通道内狭窄空间的通道流，如板翅式和板式换热器。强化传热技术就是指提高 换热器传热性能的各种措施和方法。自最早的传热研究工作的记载起，从事这一 领域的科研工作者和工业实践者就涉及到对强化传热的研究。近年来，能源与材 料费用的不断增长大大地推动了高效节能换热器的发展。因而，各个国家将相当 多的研究力量放在了各式各样的强化传热表面及设备上。如今，强化传热在科研 和工业应用上展现出蓬勃生机：发表的有关强化传热设备技术论文成指数上升； 技术专利增长；最有效的和最可行的技术已经逐渐从实验室进入全尺寸的工业应 用；成千上万的制造商提供的产品范围从强化单管到整个换热系统的强化技术。 1 3 1 强化换热设备的优点 强化表面比普通换热面的传热更有效。强化表面的应用可带来以下各种好 处： ( 1 ) 减少换热所需的面积、尺寸，因而在热负荷和压降一定时，减少换热器的 重量。 ( 2 ) 在换热器尺寸、流速、压降一定时，增强换热。 ( 3 ) 换热器尺寸和热负荷一定时，减少泵功率。 ( 4 ) 减少传热温差。 ( 5 ) 上述各项的综合应用。 但值得注意的是，在考虑上述的优点时要考虑到相应流动阻力的变化。往往 各种强化传热的技术在一定流速下使换热系数有相当大的提高，但通常也会使摩 擦系数以更大的百分比增加。在利用这些强化传热的技术时，需要建立热工一水 力目标对其换热性能进行综合评价，或根据使用场合的需要进行合理选择。 4 第一章绪论 1 3 2 强化传热的途径 传热的基本表达式为： q = k f a t ( 1 6 ) 式中置为传热系数，f 为总传热面积，t 为传热表面与流体的温差。很显然， 提高传热系数、扩展传热面积、加大传热温差是增加传热量的基本途径。由于强 化传热表面一般具有特殊的几何形状，其表面在一定程度上被翅化了，所以流体 与翅化表面间传热率的通用表达式为： q = h r 。a a t ( 1 - 7 ) 式中h 为传热膜系数，巩为传热表面总翅化率，彳为总传热面积，丁为传热表面 与流体的温差。在式( 卜2 ) 中，h r 。a 表示传热表面导热性，很显然，表面具有 较高的r 。a 和h 时，传热效率就较高，特殊几何形状的表面可以通过增大h 仉a 来达到强化传热的目的。增大h 或玑a 有三种基本方法： ( 1 ) 单一增加表面积a 而不考虑增大h ，如采用翅片。 ( 2 ) 单一提高h 而不增大表面积a 。 ( 3 ) 同时增大h 和a ，例如紧凑换热器中常见的扩展表面可以通过增加表面的凹 凸来达到既增大传热膜系数h 又增大a 的目的，有穿孔片，百叶片，波纹片 等。 1 3 3 强化传热的机理 1 3 3 1 传统强化传热的机理 上面所述的三种传热强化途径中，提高对流传热膜系数h ，不增加表面积的 强化方法是强化传热研究的主要发展方向。这种强化传热方法的基本原理如下： 在近壁面处换热系数可近似表示为： h = k j( 卜8 ) 式中k 为流体的导热系数。d 为热边界厚度。 从式( 卜8 ) 中可知，只要能提高流体的导热系数或减薄传热边界层的厚度，就 可提高传热膜系数h 。这是传统强化传热措施的主要思路。湍流流动和层流流动 的热边界层不同，强化传热有不同的机理。 1 湍流强化 强化管内湍流的换热主要表现为强化靠近壁面流体速度近似为零的低速区 ( 即熟知的层流底层) 的换热。因为大部分的热阻集中在层流底层的低速区，任 何粗糙表面或强化技术( 如螺旋内插物、线圈插入物和凸出物等) 都是用于破坏 层流从而达到提高换热的目的。对于光滑管中充分发展的湍流，其层流底层的无 因次厚度为： 华南理工大学工学博士学位论文 v ：型垦! ! 竺：5( 1 9 ) 。 v g 。为半经验公式中的系数，f 。为光滑管中的剪切应力。热边界层厚度y 与管径d 之比为： 二= 2 5 r e 。0 8 7 5 ( 1 1 0 ) 盯 破坏掉层流底层，减少热边界层厚度就可提高换热能力。因此，许多粗糙表面和 强化措旌都着跟于这点。 2 。层流强化 层流的传热膜系数通常较低，流体速度和温度的变化分布在整个通道宽度 上。流体的自然对流换热很弱，流体传递热量主要靠流体的纯导热作用。因此， 小尺度的粗糙表面在层流中对强化传热效果不明显。常用的强化措旌是产生涡流 或造成湍流。 近百年来，科研工作者一直想方设法来减小热边界层厚度，提高湍流流动的 换热能力，得到了各种各样有效的强化换热措施，大量的科研成果和专利技术推 动了强化传热技术的蓬勃发展。 1 3 。3 。2 场协同理论 最近过增元6 1 从对流换热的能量方程出发，重新审视对流换热的物理机制， 提出一种强化传热的新概念，即“场协同理论”一一主张通过控制流场中温度梯 度场与速度场的协同关系来强化换热。这为提高传热膜系数开辟了一条新途径。 他的这种新思路得到学术界的重视和认可，是“国家重点基础研究发展规划”一 一“9 7 3 ”重点项目的理论基础，同时也是研究第三代传热技术和能源利用系统 的重要指导思想。 过增元的场协同理论是在层流流动上提出的，先将原理简述如下： 以二维层流边界层为例，其能量方程为： p c p ( u a - 圣r + v o ，t ) ：昙( 七娑) ( 卜1 1 ) o x o yc r yc r y 将( 卜1 1 ) 中的对流项比拟为内热源，对流问题就可当作有内热源的导热问题来 处理，此热源是流场的函数。在热边界层中对方程( 卜1 1 ) 积分得： f r 肋( u 警+ 矿等磅一丘詈f 。( 1 - 1 2 ) 式中占是热边界层厚度，r 是通道半径。( 1 - 1 2 ) 式表明：热源项在积分域内的 总和( 即源总强度) 就等于壁面热流密度，也就是说只要设法提高总源强度就能 强化传热，反之则可削减换热，这称之为源强化的概念。 第一章绪论 将( 卜1 2 ) 改写成矢量形式 r 。脚( u e v t 舻一皤f 。 引入无因次变量 孔篑，v 于= 杀6 , ，脚肌虬( l l ) 。 假设l l ，贝, i n u x = r e p r i ( u 。v t 一) d 箩 ( 1 一1 3 ) = r e p r f i u i l v 于旧s 0 a y ( 1 1 4 ) 由( 1 1 4 ) 式可知：改变流速、温差、流体物性或者改变r e 数和p r 数就可 以控制对流换热的强度，这一直是传统强化传热方法注意的方面。然而从等式右 边积分这一项还可以看到，速度矢量与温度梯度，或者说速度矢量与热流矢量的 夹角0 对热源的大小，即对流换热的强度起着重要作用，当它们的夹角口小于9 0 0 时，0 愈小，则对流换热系数愈大，当0 = 0 。，可达到其最大值。 所以对流换热的强度不仅取决于流速、温差和流体的物性，还取决于速度场 和热流场的相互配合，从矢量上看，这是速度和温度梯度的协同；从标量看则是 三个量共同作用的结果，只有速度的绝对值、温度梯度的绝对值及两者之间的夹 角的余弦值的乘积最大时，才能使n u 数成为最大。 场协同理论将强化换热的思路带到了如何控制整个流场中温度梯度场与速 度场的协同关系上来，无疑扩开了强化传热的思路，为发展实用新型的高效传热 强化元件和换热器强化换热新技术提供了理论依据。 1 3 4 强化传热的方法 增强传热的基本途径有三个，提高传热系数、扩展传热面积、加大传热温差。 由于扩展换热面积和加大换热温差常常受到一定条件的限制，因此提高换热系数 成为强化传热技术研究的焦点。在对流换热的情况下，影响对流换热强弱的主要 因素是流体的流动状态、物性和换热表面的形状和尺寸等。强化传热就应针对着 这些影响因素采取相应的措施。综述起来胡 ，增强传热的方法有以下三类： 1 ) 改变流体的流动情况： ( 1 ) 增加流速。变层流为湍流；或提高湍流的脉动程度； ( 2 ) 加插入物。增强流体的扰动或使流体形成旋转流，破坏边界层而使传 热增强； ( 3 ) 加旋流装置。旋转流动的离心作用使流体产生二次环流，强化传热； ( 4 ) 依靠外来能量作用。用机械或电力作用使传热表面或流体发生振动； 华南理工大学工学博士学位论文 或对流体施加声波或超声波，使其交替地受到压缩和膨胀，增加脉动 而强化传热；或外加静电场，使在传热面附近电介质流体加强混合， 从而加强换热。 2 ) 改变流体的物性：流体的物性对对流换热系数有较大的影响，一般导热系数 与溶剂比热较大的流体，其换热系数也较大。改变流体的物性主要在流体内 加入一些添加剂。例如： ( 1 ) 气流中加入少量固体细粒，形成气一固悬浮系统，可大大提高流体的 热容量，提高气体的湍流程度，另外还可提高气体的热辐射作用； ( 2 ) 液体中加入固体细粒，类似于搅拌作用，可提高平均温度、增加层流 底层的温度梯度，增强传热； ( 3 ) 蒸汽或气体中喷入液滴，产生珠状凝结或变气相换热为液膜换热，因 而换热加强； ( 4 ) 液体中加挥发性的添加剂。 3 ) 改变换热表面情况：这是最常见的一种强化方法，也是使用范围广、适应性 强、换热效果明显的措施之一，在工业应用中产生了良好的经济效益和社会 效益。通常通过以下方法来强化传热。 ( 1 ) 增加壁面粗糙度：由于表面粗糙度引起边界层内流体的流动分离，促 使传热壁面处流体湍流程度加大，层流底层减薄或不断遭到破坏所致。 同时，表面粗糙还可以扩展传热面积。增加壁面粗糙度不仅有利于管 内受迫流动换热，也有利于沸腾和凝结换热及管外受迫流动换热。 ( 2 ) 改变换热面形状和大小：采用各种异形管，如椭圆管、螺旋管、波纹 管和缩放管等等。由于流体通道形状的变化，流体在流动中将会不断 改变方向和速度，促进湍流程度加强，边界层减薄，故能强化换热。 ( 3 ) 改进表面结构：对金属管进行烧结、单火花加工或切削，使表面形成 一层很薄的多孔金属层而构成多孔管，可以增强沸腾和凝结换热。 ( 4 ) 表面涂层：在凝结换热时，可在换热表面涂上一层表面张力小的材料 以构成珠状凝结，有利于增大换热系数。 1 3 5 几种典型强化传热管的介绍 华南理工大学教育部强化传热及过程节能重点实验室一直致力于强化传热 的研究和推广工作，拥有许多专利产品和几十年积累的科研成果，取得了骄人的 成绩。同时还研究了强化管的连续加工技术，研制出来的加工机具简单、加工成 本低、加工速度快，完全能满足工业化的要求。如今已在石化行业、硫酸行业、 氮肥厂、制冷系统、电力系统得到了广泛的运用，取得了很好的经济效益和社会 效益。在这里本节将结合国内外的研究情况，主要介绍本实验室对几种典型的强 簿章缝瓷 化换热管的研究和应用情况。 1 ，3 5 。 螺旋槽管 把光蛰建滚压或筑涮成强、趋螺旋形槽绞，螺纹管按螺纹数分荦头帮多头螓 纹管两类。当流体在螺旋管内流动时，受螺旋槽的引导，靠避壁面的部分流体在 一定条件下顺着螺纹旋转，有利于减薄流体边界屡；另一部分流体在轴向流动时， 与螺绞瑟邃蠲期鳇耱遴，将镬滚钵产生周霸洼魏韵，这嚣耱 乍矮都褥改变速雾瑟 结构，从而强化传热。糟管岁 为蒸汽凝结过程，螺旋槽即成为排泄凝结液的通道， 可使凹槽两边的冷凝液膜减薄，从而减小凝结热阻，提高凝结换热系数。若管内 为沸腾换热，黄占壁流体瓣麓转阻止蒸汽在壁露形成汽膜，并使中心汽溅瓣滚滚更 多遗落予壁蕊，有莆j 予强讫传热。 国外对螺旋槽管进行过大量的研究工作。英国h a r w e l l 研究所对螺旋槽管作 过系统的筛选与测试1 1 0 l ，他们的横深大都在1 。0 毫米以上，均为多头螺旋。实 验表胡臻麓管戆稽深蹲抉熬效果影滴强大，纛多头螺旋疆力蹭热较多。本实验室 自7 0 年代趣就开始研究螺旋槽管，谭盈科d i 猩1 9 7 9 年就发表了螺旋篱筛选实 验的结果。邓颂九 1 2 】提出了轧槽管的实验结果。李向明 1 3 1 ( 1 9 8 2 ) 研究了水的 彗内德热强纯援理，掇感了数学摸蘩，著徽了俊诬绩稼的疆突。实验终暴表霞： p d = 0 0 3 5 3 ，t e = 8 ( e 为肋高，t 为节距) 时，螺旋稽管与光管的抉热系数之 比七，k = 1 。叶侨燕【 ( ) 研究了螺旋樽管内空气阻力和传热特性，得到s 61 9 8 7 单头螺旋横管的传热澈数关联式。他们的研究认为：螺旋横不宜太深，横越深， 流阻莲大，覆置在相同节距与疆潆辩，擎头臻旋与三头曝旋瓣谨熟效栗麓羽不太， 但流阻减小了很多。 ，3 5 2 横纹管 当缫凝稽管静螺麓蔻为9 0 。辩，攥蓬稽警裁减了横纹蛰，箕癸表覆跫一圈一 圈有序的环形凹槽，而其内表面相威成为一圈一圈有序的幽肋，当流体通过圆环 时，在管麟形成轴向的旋涡，这种旋涡增加了流体边界的扰动，有利于热量通过 透爨垂囱浚钵主薅簧滋。在横绞管痰不存在缳缀建疆管郅榉魏螺旋分褰滚，枣子 旋涡主要鼹在管壁附邋形成，凸出的圆环对流体的扰动不大，流体阻力较相同节 距与槽深的螺旋槽要小一些。莫斯料航空学院的e e k a “hh “h 【” 通过管内 及管外的气体和液体懿传热研究，撼爨了管内挠热帮流阻的实验公式，辨得至i 了 横纹管豹激经参鼗：e d = o 。0 2 8 ，t d = 0 2 5 。b k 。m h ta 菇聪】对禳统瞽巍进行了 系统的测定，他提出的最佳管参数的范围是：0 0 3 e d o 0 4 ，1 0 t e 2 5 。空 气在横纹管中换热系数比在光管提高1 7 倍，脲力降增加2 2 倍。 要檀【1 7 对l g 耱不瓣警结毪豹横绞管遂嚣了系统魏传热与滚疆实验。发鬟e ，嚣 ka n h h h i 媲出的最佳管参数范围与r e 数有关，他得到了横纹管的阻力和传热的 9 华南理工丈学工学博士学位论文 实验熬合式，并傀纯了一定操作条件下静管参数。证鹱了横纹管的换热牲髓侥予 螺旋槽管。 1 3 5 3 缩放管 缩放嚣是由交替鲍收缩段和扩张段维成的波形管道，在扩张段流体速度降 毵，嚣遂臻翔，在凌缓段审浚俸速凄壤趱，癸嚣减少，这撵滚舔弱浚囊是在方囊 反复改变的轴向压力梯度下遴行。