（工程热物理专业论文）半椭圆管新型换热元件换热与阻力特性研究.pdf

llititl l l li ii i 1 1i i ii i iti i l l l1 1l y 2 18 4 0 8 9 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或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；本人授权山东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 或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名：铷期： 目录 目录 摘要i a b s l r a c t 。h i 主要符号表v i 第一章绪论1 1 1 课题研究的背景和意义1 1 2 异型强化传热管的研究现状2 1 2 1 椭圆和椭圆翅片管2 1 2 2 滴形管。5 1 2 3 其他截面形状的异形管。7 1 3 边界层理论概述9 1 4 场协同理论简介1 1 1 5 本文主要工作1 2 第二章空气横掠半椭圆管换热和流动的数值模拟1 4 2 1 数值计算模型1 4 2 1 1 数学模型1 4 2 1 2 数值计算区域及物理模型1 6 2 1 3 边界条件1 6 2 1 4 网格划分1 7 2 2 数值模拟结果的可靠性验证18 2 3 数值模拟结果分析。1 9 2 3 1 平均对流换热特性1 9 2 3 2 局部对流换热特性2 0 2 3 3 阻力特性2 l 2 3 。4 换热和阻力的综合特性2 3 2 3 5 不同管型的流场分布2 6 2 4 基于场协同理论的半椭圆管强化传热机理分析2 6 2 5 本章小结2 9 i 山东大学硕士学位论文 第三章空气横掠半椭圆管换热和流动的实验研究3 l 3 1 实验装置和系统3l 3 1 1 实验装置3 1 3 1 2 实验试件3 2 3 1 3 测量系统3 3 3 2 实验步骤3 5 3 3 实验数据处理及可靠性分析3 6 3 3 1 实验数据处理3 6 3 3 2 实验的可靠性分析3 7 3 4 实验结果及讨论3 7 3 4 1 实验系统的可靠性校核3 7 3 4 2 半椭圆管的平均对流换热特性。3 8 3 4 3 半椭圆管的阻力特性3 9 3 5 本章小结4 0 第四章空气横掠半椭圆管束的换热和流动特性4 1 4 1 横掠叉排半椭圆管束的数值模拟4 1 4 1 1 数值计算模型4 l 4 1 2 排列方式。4 2 4 2 数值计算结果及讨论。j 4 3 4 2 1 叉排半椭圆管束的平均对流换热特性4 3 4 2 2 叉排半椭圆管束中的局部对流换热特性4 4 4 2 3 叉排半椭圆管柬中的阻力性能4 5 4 2 4 叉排半椭圆管束深层管的温度场和速度场分布4 6 4 3 半椭圆管、椭圆管和圆管换热和阻力性能比较4 7 4 3 1 换热性能比较4 8 4 3 2 阻力性能比较4 8 4 4 基于场协同理论的管束传热机理分析。4 9 4 5 本章小结5 0 第五章全文总结5 2 目录 5 1 主要工作和结论5 2 5 2 主要创新5 4 5 3 主要不足5 4 参考文献5 5 致j 射6 0 攻读硕士学位期间发表的学术论文6 1 山东大学硕士学位论文 c o n t e n t s a j 3 s t r a c ti nc h i n e s e i a b s t r a c t i i i n o m e n c l a t u r e v i c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1 1b a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo fr e s e a r c ho nt h es u b j e c t 1 1 2s t a t u so f r e s e a r c ho nh e t e r o t y p ce n h a n c e dh e a tt r a n s f e rt u b e 2 1 2 1e l l i p t i c a la n de l l i p t i c a l - f i nt u b e 2 1 2 2d r o p - s h a p e dt u b e 5 1 2 3h e t e r o t y p et u b e sw i t ho t h e rs e c t i o ns h a p e s 7 1 3s u m m a r yo fb o u n d a r yl a y e rt h e o r y 9 1 4b r i e fi n t r o d u c t i o no ff i e l ds y n e r g yt h e o r y l l 1 5m a i nr e s e a r c hc o n t e n t so ft h i sp a p e r 1 2 c h a p t e r2n u m e r i c a ls i m u l a t i o no 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 so fa i r f l o w i n ga b o u ts e m i e l l i p t i c a lt u b e 1 4 2 1n u m e r i c a lc a l c u l a t i o nm o d e l 1 4 2 1 1m a t h e m a t i c a lm o d e l 1 4 2 1 2n u m e r i c a lc a l c u l a t i o nr e g i o na n dp h y s i c a lm o d e l 。1 6 2 1 3b o u n d a r yc o n d i t i o n s 1 6 2 1 4m e s hg e n e r a t i o n 1 7 2 2r e l i a b i l t i yv e r i f i c a t i o no nn u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t s 18 2 3a n a l y s i so nn u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t s 1 9 2 3 1a v e r a g ec o n v e c t n eh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c s 19 2 3 2l o c a lc o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c s 。2 0 2 3 3f l o wr e s i s t a n c ec h a r a c t e r i s t i c s 2 1 2 3 4c o m p r e h e n s i v ec h a r a c t e r i s t i c sf o rh e a tt r a n s f e ra n df l o wr e s i s t a n t 。2 3 2 3 5f l o wf i e l dd i s t r i b u t i o nf o rd i f f e r e n tt u b et y p e s 2 6 2 4a n a l y s i so nh e a tt r a n s f e rm e c h a n i s mf o ras i n g l et u b eb a s e do nf i e l ds y n e r g y t h e o r y 2 6 i v c o n t e n t s 2 5s u m m a r yo f t h i sc h a p t e r 2 9 c h a p t e r3e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho 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 so fa i r f l o w i n ga b o u ts e m i e l l i p t i c a lt u b e 3 1 3 1e x p e r i m e n ts e t u pa n ds y s t e m 31 3 1 1e x p e r i m e n ts e t u p 3 1 3 1 2e x p e r i m e n ts p e c i m e n 3 2 ：；1 3m e a s u r e m e n ts y s t e m 3 3 3 2e x p e r i m e n tp r o c e d u r e s 3 5 3 3e x p e r i m e n td a t ap r o c e s sa n dr e l i a b i l i t ya n a l y s i s 3 6 3 3 1e x p e r i m e n td a t ap r o c e s s 3 6 3 3 2r e l i a b i l i t ya n a l y s i s 3 7 3 4e x p e r i m e n tr e s u l t sa n da n a l y s i s 。3 7 3 4 1r e l i a b i l i t yc h e c ko f e x p e r i m e n ts y s t e m 3 7 3 4 2 a v e r a g ec o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e r c h a r a c t e r i s t i c so ff l o wa r o u n d s e m i e l l i p t i c a lt u b e 3 8 3 4 3r e s i s t a n c ec h a r a c t e r i s t i c so ff l o wa r o u n ds e m i e l l i p t i c a lt u b e 3 9 3 5s u m m a r yo f t h i sc h a p t e r 4 0 c h a p t e r4h 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 so fa i r f l o w i n g a b o u t s e m i - e l l i p t i c a lt u b eb u n d l e 4 1 4 1n u m e r i c a ls i m u l a t i o no nf l o wa b o u ts e m i e l l i p t i c a lt u b eb u n d l ei ns t a g g e r e d a r r a n g e m e n t 4 1 4 1 1n u m e r i c a lc a l c u l a t i o nm o d e l 4 1 4 1 2a r r a n g e m e n tf o r m 4 2 4 2n u m e r i c a lc a l c u l a t i o nr e s u l t sa n dd i s c u s s i o n 4 3 4 2 1a v e r a g ec o n v e c t i v 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 fs e m i e l l i p t i c a lt u b e b u n d l e 4 3 4 2 2l o c a lh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c so fs e m i - e l l i p t i c a lt u b eb u n d l ei n s t a g g e r e da r r a n g e m e n t 4 4 4 2 3r e s i s t a n c ec h a r a c t e r i s t i c so fs e m i - e l l i p t i c a lt u b eb u n d l ei ns t a g g e r e d a r r a n g e m e n t 4 5 山东大学硕士学位论文 _ _ _ _ _ _ 目i - i _ _ 自_ _ l _ i i _ _ 目目_ 目e 目_ _ _ - _ 自e 目自目l _ _ _ i i - 目i _ i _ - _ _ _ 目i _ l _ i _ _ _ _ 4 2 4t 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 no fd e e pr o w so fs e m i 。e l l i p t i c a l t u b eb u n d l ei ns t a g g e r e da r r a n g e m e n t 4 6 4 3c o n t r a s to fh e a tt r a n s f e ra n dr e s i s t a n c ep e r f o r m a n c ef o rs e m i e l l i p t i c a l ， e l l i p t i c a la n dc y l i n d e rt u b eb u n d l e 4 7 4 3 1c o n t r a s to f h e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c e 4 8 4 3 2c o n t r a s to f r e s i s t a n c ep e r f o r m a n c e 4 8 4 4a n a l y s i sf o rh e a tt r a n s f e rm e c h a n i s mo ft u b eb u n d l eb a s e do nf i e l ds y n e r g y t h e o r y 。4 9 4 5s u m m a r yo f t h i sc h a p t e r 5 0 c h a p t e r5s u m m a r yo f t h i sp a p e r 5 2 5 1m a i nw o r ka n dc o n c l u s i o n s 5 2 5 2m a i ni n n o v a t i o n s 5 4 5 3m a i nd e f i c i e n c i e s 5 4 r e f e r e n c e 5 5 a c k n o w l e d g e m e n t 6 0 a c a d e m i cp a p e r sp u b l i s h e dd u r i n gm a s t e rp e r i o d 6 1 摘要 摘要 换热器作为进行热量交换而实现加热或冷却的通用设备，在能源有效利用过 程中起着至关重要的作用。目前，换热设备中广泛采用的是易加工且承压能力强 的圆管，但是流体横掠圆管时，会发生大范围的边界层分离，在尾部形成较宽的 分离区，造成较大的压降损失，严重时会引起振动，造成直接破坏。处于节能及 一些特殊的需要，具有细长形状的流线形管引起了人们的兴趣。本文提出一种具 有良好流线外形的换热管一一半椭圆管，并通过数值计算和实验方法对其流动和 换热性能进行研究。 通过数值模拟，对空气横掠长、短轴比l d = - i ( 圆管) ，1 5 ，2 ，3 ，4 ，5 的 六种不同形状半椭圆管的换热和流动特性进行了研究。结果表明：不同恐数下 的最佳换热管型是不同的；r e 8 0 0 0 时，l d = - 2 时平均表面换热系数最高； r e 8 0 0 0 时，l d = i 5 时平均表面换热系数最高。相同r p 数下，l d 越大，半椭 圆管阻力系数越小，但是l d 过大，管子的换热也会变差。根据数值模拟结果， 拟合得到不同管型半椭圆管的n u 数与尺p 数间的准则式，为工程实践和理论研 究提供了依据。通过对流动和换热综合性能评价指标随l d 和r p 数的变化规 律进行分析，得出不同鼬数下的最佳换热管型：r e = 3 9 8 4 时，l d 3 5 的半椭 圆管的值最高，即对流换热的综合性能最好；r e = 4 7 8 0 9 时，对流换热性能最 好的管型为l d 2 2 的半椭圆管。在本文数值模拟的r p 数范围内，l d = - 2 时半 椭圆管的管外对流换热系数比相应的圆管高约7 , - - 4 4 ：3 ，阻力系数仅为圆管的 3 2 , - - 5 3 。根据场协同理论，计算了半椭圆管( l d = - 2 ) 壁面边界层内平均场协 同角沿换热表面的分布，并与相同条件下的圆管作了比较。经计算：r e = 3 1 8 7 2 时，l d = 2 的半椭圆管换热面上的平均协同角为8 8 6 。，圆管为8 9 3 。，表明半 椭圆管表面速度矢量与温度梯度的平均协同程度较好，可以进一步解释半椭圆管 的强化传热机理。 通过搭建风洞实验台，研究了l d = - i ，2 ，3 ，4 四种管型半椭圆管的管外平 均表面传热系数及阻力系数，与数值模拟结果进行比较后发现：实验研究和数值 模拟得到的管外胁数和阻力系数厂随舷数的变化趋势一致，且数据的接近程度 在误差允许的范围内，证明了数值模拟的可靠性。 山东大学硕士学位论文 通过数值模拟对空气横掠l d = 2 的半椭圆管光滑管束的换热和流动特性进 行了分析，并与相同排列的圆管管束和椭圆管束进行比较。结果表明：在本文研 究的r p 数范围内，半椭圆管束和椭圆管束的换热性能均高于相应的圆管管束； r e 8 0 0 0 ，t h ea v e r a g ec o n v e c t i o nh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ti st h eh i g h e s tf o rt h es h a p e l d = 2 ；w h i l ef o rr e 8 0 0 0 ，t h eh i g h e s tf o rl d = i 5 f o rt h es a m er en u m b e r , t h e r e s i s t a n c ec o e f f i c i e n tr e d u c e sw i t ht h ei n c r e a s eo fl d ，b u tt h eh e a tt r a n s f e r p e r f o r m a n c eo f t u b e sw i t ht o oh i g hl dg e t sw o r s e t h ef o r m u l a eo fn un u m b e rw i t h r e n u m b e rf o rd i f f e r e n ts e m i e l l i p t i c a lt u b et y p e sa r ef i t t e d ，w h i c hp r o v i d er e f e r e n c e f o re n g i n e e r i n gp r a c t i c ea n dt h e o r e t i c a lr e s e a r c h b ya n a l y s i so ft h ev a r i a t i o no ft h e c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nf a c t o rj 学f o rf l o wa n dh e a t t r a n s f e rw i t hl da n dr e n u m b e r , t h eo p t i m u mh e a tt r a n s f e rt u b es h a p ei so b t a i n e df o rd i f f e r e n tr en u m b e r s ： f o rr e = 3 9 8 4 ，t h ev a l u eo f j fi sh i g h e s tf o rt h es e m i - e l l i p t i c a lt u b ew i t hl d 3 5 ， w h i c hi m p l i e st h eb e s tc o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c ef o rc o n v e c t i o nh e a tt r a n s f e r ；w h i l e f o rr e = 4 7 8 0 9 ，t h et u b es h a p ew i t ht h eb e s tc o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c ei st h a tw i t h l d 2 2 w i t h i nt h er a n g eo fr en u m b e ri nn u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h i st h e s i s ，t h e i i i 山东大学硕士学位论文 c o n v e c t i o nh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t so u t s i d et h es e m i e l l i p t i c a lt u b ew i t hl d = 2a r e h i g h e rt h a nt h o s eo fc o r r e s p o n d i n gc y l i n d e rt u b eb y7 * , - 4 4 3 ，w h i l et h er e s i s t a n c e c o e f f i c i e n t sa r eo n l y3 2 * 0 - - - 5 3 o ft h o s eo fc y l i n d e rt u b e a c c o r d i n gt ot h ef i e l d s y n e r g yt h e o r y , t h ed i s t r i b u t i o no fa v e r a g ef i e l d - s y n e r g y - - a n g l ea l o n gh e a tt r a n s f e r s u r f a c ei nt h ew a l lb o u n d a r yl a y e ro ft h es e m i e l l i p t i c a lt u b e ( l d = 2 ) i sc a l c u l a t e da n d c o n t r a s t e dw i t ht h a to fc y l i n d e rt u b eu n d e ri d e n t i c a lc o n d i t i o n s t h er e s u l t ss h o wt h a t f o rr e 2 318 7 2 ，t h e a v e r a g e s y n e r g ya n g l e f o rt h eh e a tt r a n s f e rs u r f a c eo f s e m i - e l l i p t i c a lt u b ew i t hl d = 2i s8 8 6 0 ，w h i l et h a to ft h ec y l i n d e rt u b ei s8 9 3 0 ， i n d i c a t i n gt h a tt h ea v e r a g es y n e r g yl e v e lo fv e l o c i t yv e c t o ra n dt e m p e r a t u r eg r a d i e n t o nt h es u r f a c eo fs e m i - e l l i p t i c a lt u b ei sb e t t e r , a n dt h i sf u r t h e re x p l a i n st h eh e a t t r a n s f e re n h a n c e m e n tm e c h a n i s mf o rt h es e m i - e l l i p t i c a lt u b e aw i n dt u n n e le x p e r i m e n tt a b l ei sd e s i g n e da n ds e tu p ，a n dt h ea v e r a g e c o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ta n dr e s i s t a n c ec o e f f i c i e n to u t s i d et h e s e m i e l l i p t i c a lt u b e sf o rt h es e m i - e l l i p t i c a lt u b e sw i t hl d = i ，2 ，3 ，4a r es t u d i e da n d c o m p a r e dw i t ht h er e s u l t so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h er e s u l ts h o w st h a tt h ev a r i a t i o n w e n d so fn un u m b e ra n df f a c t o rw i t hr eo b t a i n e db ye x p e r i m e n ta r ec o n s i s t e n tw i t l l t h o s eo b t a i n e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，a n de r r o ro ft h er e s u l t sa r ew i t h i na l l o w a b l e e r r o rr a n g e ，w h i c hv e r i f i e st h er e l i a b i l i t yo fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n a n a l y s i si sc a r r i e do u tb yn u m e r i c a ls i m u l a t i o no nt h ef l o wa n dh e a tt r a n s f e r c h a r a c t e r i s t i c so fa i rf l o w i n ga c r o s ss m o o t hb u n d l eo fs e m i - e l l i p t i c a lt u b ew i t hl d = 2 ， a n dac o n t r a s ti sm a d ew i t hc y l i n d e rt u b eb u n d l ea n de l l i p t i c a lt u b eb u n d l ew i t h i d e n t i c a lb l o c k a g er a t i o t h er e s u l t ss h o wt h a tw i t h i nt h er a n g eo fr en u m b e rs t u d i e d i nt h i st h e s i s ，t h eh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c e so fb o t hs e m i - e l l i p t i c a la n de l l i p t i c a lt u b e b u n d l ea r eb e t t e rt h a nt h a to fc o r r e s p o n d i n gc y l i n d e rt u b eb u n d l e ；f o rr e 1 2x10 4 ， t h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to fs t a g g e r e ds e m i - e l l i p t i c a lt u b eb u n d l ei sl o w e rt h a nt h a t o fe l l i p t i c a lt u b eb u n d l ew i t hi d e n t i c a la r r a n g e m e n t , b u tf o r 胎1 2x10 4 ，t h ef o r m e r i sh i g h e r , a n dt h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h e mg r o w sl a r g e rw i t ht h ei n c r e a s eo fr e n u m b e r w i t h i nt h er a n g eo fr en u m b e ro fn u m e r i c a ls i m u l a t i o ni nt h i st h e s i s ，t h e o u t s i d ec o n v e c t i o nh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to f s t a g g e r e ds e m i e l l i p t i c a lt u b eb u n d l ei s l a r g e rt h a nt h a to fc o r r e s p o n d i n gc y l i n d e rt u b eb u n d l eb y8 3 - - 2 9 ，w h i l et h e a b s t r a c t r e s i s t a n c ec o e f f i c i e n ti so n l y5 3 0 o - 6 3 o ft h el a t t e r t h i ss h o w st h a tt h ea d o p t i o no f s e m i - e l l i p t i c a lt u b e w i t hs t r e a m l i n e ds h a p ec o u l dh e l pe n h a n c eh e a tt r a n s f e ra n d r e d u c ef l o wr e s i s t a n c es i m u l t a n e o u s l y t h ed i s t r i b u t i o no fa v e r a g ef i e l ds y n e r g ya n g l e i nb o u n d a r yl a y e ri sc a l c u l a t e df o rt h es e m i - e l l i p t i c a lt u b eb u n d l e ( l d = 2 ) ，e l l i p t i c a l t u b eb u n d l ea n dc y l i n d e rt u b eb u n d l e ，a n dt h eh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n tm e c h a n i s m f o rs e m i e l l i p t i c a lt u b eb u n d l ei sf u r t h e ra n a l y z e da c c o r d i n gt ot h ef i e l ds y n e r g y t h e o r y f o rr e = 2 3 9 0 4 ，t h ea v e r a g ef i e l ds y n e r g ya n g l ef o rt h es e m i - e l l i p t i c a lt u b e b u n d l e e l l i p t i c a lt u b eb u n d l ea n dc y l i n d e rt u b eb u n d l ea r er e s p e c t i v e l y8 8 1o ，8 8 4 0 a n d8 8 6 。，w h i c hs h o w st h a tt h es y n e r g yl e v e lo ff l u i df l o wv e l o c i t yv e c t o ra n d t e m p e r a t u r eg r a d i e n ti nt h eb o u n d a r yl a y e ro u t s i d ee a c hr o wo fs e m i e l l i p t i c a lt u b e b u n d l ei sb e s t ，e x p l a i n i n gt h er e a s o nf o ri t se x c e l l e n th e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：h e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t ，s e m i - e l l i p t i c a lt u b e ，f i e l ds y n e r g y v 山东大学硕士学位论文 | 目目j e _ - _ 自l 目e - l g 自t l i _ _ i i _ _ j = e g - _ - 尊= _ _ = = 目_ _ _ _ 目_ 田_ _ _ _ _ _ 鼻自- _ _ _ _ e 自- _ _ v i 主要符号表 热扩散率，m 2 s 横截面积，m ? 定压比热容，j ( k g k ) 直径，m 弦长，m 阻力系数 传热系数，w ( m 2 k ) 管长，m m 周长，i t u t i 压力，p a 换热量，w 热流密度，w m 2 温度，k 速度，m s x 方向的速度分量，m s y 方向的速度分量，m s 湍流强度 湍动能，j 希腊字母 迎流攻角，。 运动粘度，m 2 s 户 a 9 口 i 携 。甜 w l 施，= h d 名 p r = v 口 r e = u d v 密度，k g m 3 导热系数，w