內(nèi)螺紋肋管換熱器換熱特性的數(shù)值研究[權(quán)威資料]

內(nèi)螺紋肋管換熱器換熱特性的數(shù)值研究 本文檔格式為 WORD,感謝你的閱讀。 【摘要】：應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件 Fluent 對(duì)內(nèi)螺紋肋管內(nèi)流體換熱特性進(jìn)行了數(shù)值模擬。通過(guò)對(duì)無(wú)量綱肋高 H在范圍 0.02-0.06，肋數(shù) N 在范圍 35-50條，螺旋角 在范圍 35 -45 的研究結(jié)果表明：隨 H 的增加， Nu 和 f 都有較大增加；隨著 的增大， Nu 和 f 均先增大后減小，在螺旋角為 41 時(shí)， Nu 達(dá)到最大，在螺旋角為 39 時(shí)， f 達(dá)到最大；而肋數(shù) N 對(duì) Nu和 f 的影響較小。計(jì)算結(jié)果表 明，研究范圍內(nèi)最佳肋參數(shù)為 H=0.04， N=40， =41 。 【關(guān)鍵詞】?jī)?nèi)螺紋 ， 換熱器 【 abstract 】 : using computational fluid dynamics software Fluent internal threads rib tube fluid heat transfer characteristics on the numerical simulation. Through to the dimensionless high H in the range of rib 0.02 0.06, rib in scope and number N-article 50, spiral Angle is related in the range of 35 to 45 research results show that with the increase of H, Nu and f there are great increase； Along with the increase of , Nu and f are first increases, then decreases, and in a spiral Angle for 41 , Nu achieve maximum, in a spiral Angle of 39 , f achieve maximum； And the number of rib and f N Nu less effect. The calculation results show that, within the scope of the best rib parameters for the H = 0.04, N = 40, = 41 . 【 key words 】 threaded, heat exchanger TK172 A 1 引言 能源危機(jī)對(duì)世界的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科學(xué)研究造成了巨大的沖擊，迫使人們盡力減少石油與其他二次能源的消耗。這在客觀上極大地促進(jìn)了強(qiáng)化傳熱技術(shù)的研究。內(nèi)螺紋肋管是一種在管內(nèi)壁上具有螺紋型肋片的高效無(wú)源強(qiáng)化換熱管 , 目前廣泛應(yīng)用在化工、石油和空調(diào)制冷等行業(yè)中 1-3，其示意圖如圖 1 所示。 圖 1 內(nèi)螺紋肋管示意圖 目前對(duì)內(nèi)螺紋肋管管內(nèi)換熱的研究主要采用實(shí)驗(yàn)方法，而采用數(shù)值方法的研究較為少見(jiàn)。而深入的了解內(nèi)螺紋肋管內(nèi)流體的三維換熱有助于更深入地探討內(nèi)螺紋肋管的強(qiáng)化換熱機(jī)理 , 以及實(shí)現(xiàn)對(duì)其結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化。本文采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件 Fluent 對(duì)內(nèi)螺紋肋管內(nèi)流體三維層流換熱進(jìn)行了數(shù)值模擬，并對(duì)其結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化分析，以期找到其最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù) 2 物理模型 內(nèi)螺紋管的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖 2 所示。取螺紋轉(zhuǎn)過(guò) 360 的軸向長(zhǎng)度為研究對(duì)象，管子的直徑 D=20mm。肋片形狀為梯形肋，肋頂角 取為 60 ，肋頂寬取 0.4mm。定義無(wú)量綱肋高為 H=2e/D，其中 e 為螺紋肋高度， 為螺旋角。 圖 2 內(nèi)螺紋肋管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 本文主要研究了無(wú)量綱肋高、肋片條數(shù)以及螺旋角對(duì)內(nèi)螺旋管內(nèi)流體流動(dòng)與換熱特性的影響。研究范圍內(nèi)肋的結(jié)構(gòu)參數(shù)取值范圍為：無(wú)量綱肋高 H 為 0.020.06，肋數(shù) N 為3550 條，螺旋角 為 3545 。分析肋高、肋數(shù)、螺旋角的變化對(duì)努塞爾數(shù) Nu和阻力系數(shù) f 的影響。 3 計(jì)算方法 應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件，以空氣為工作介質(zhì)，假定管內(nèi)流動(dòng)是穩(wěn)態(tài)充分發(fā)展層流；不考慮流體的粘性耗散和 質(zhì)量力；恒熱流邊界，不考慮軸向?qū)帷?4 計(jì)算結(jié)果及分析 （ 1）螺旋角 對(duì) Nu和 f 的影響 圖 3 螺旋角 對(duì) Nu的影響 圖 4 螺旋角 對(duì) f 的影響 由圖 3 和圖 4 中可以看出，隨著螺旋角的增大， Nu 與f 先增大后減小， Nu變化范圍在 6.5847.448 之間， f 變化范圍在 0.07170.0787 之間。這主要是由于螺旋角越大，肋的旋轉(zhuǎn)程度越大，對(duì)流體的徑向擾動(dòng)越強(qiáng)，從而加強(qiáng)了流體的混合，螺旋角增大也加劇了二次流的產(chǎn)生，從而強(qiáng)化了換熱效果，也增大了阻力。但隨著螺旋角的進(jìn)一步 增大，螺紋肋已不利于減小邊界層，此時(shí) Nu開(kāi)始下降，同時(shí)阻力系數(shù)也有所減小。計(jì)算表明，在本文范圍內(nèi)，螺旋角在 41 時(shí)， Nu 達(dá)到最大。 （ 2）肋數(shù) N 對(duì) Nu和 f 影響 從圖 5 和圖 6 中可以看出， Nu變化范圍在7.4487.524 之間， f 變化范圍為 0.07420.0772。計(jì)算表明，在本文的計(jì)算參數(shù)范圍內(nèi)，隨著肋數(shù) N 的增加， Nu和 f變化均不大。原因是隨著肋數(shù) N 的增加，螺紋肋管的表面積將增大，但對(duì)流體的擾動(dòng)增強(qiáng)很小，由于使螺旋肋管換熱增強(qiáng)的主要原因是螺旋肋對(duì)流體的擾動(dòng)。所以，盡管肋數(shù) N 增加，增大了 換熱面積，但總體的換熱效果增加卻不大。 圖 5 肋數(shù) N 對(duì) Nu的影響 圖 6 肋數(shù) N 對(duì) f 的影響 （ 3）肋高 H 對(duì) Nu和 f 影響 圖 7 無(wú)量綱肋高 H 對(duì) Nu的影響 從圖 7 和圖 8 給出的是無(wú)量綱肋高對(duì) Nu和 f 的影響。計(jì)算結(jié)果表明，隨著肋高 H 的增大， Nu和 f 均單調(diào)遞增。原因是隨著肋高的增大，螺紋肋對(duì)流體的擾動(dòng)增強(qiáng)，更易在流道內(nèi)形成強(qiáng)烈的二次流，流體混合更加充分，換熱效果更好，同時(shí)流動(dòng)阻力也會(huì)增大。所以，肋高對(duì)螺紋管的流動(dòng)與換熱影響較大。 圖 8 無(wú)量綱肋高 H 對(duì) f 的影響 （ 4）不同結(jié)構(gòu)下?lián)Q熱性能的綜合評(píng)價(jià) 從前面的分析可以看出，內(nèi)螺紋管內(nèi)流體換熱能力增強(qiáng)的同時(shí)，流動(dòng)阻力亦會(huì)增加。對(duì)于強(qiáng)化效果的評(píng)價(jià)，通?？梢圆捎萌N評(píng)價(jià)指標(biāo) 4-6： (1)相同換熱面積和泵功時(shí)，螺紋管與光管的換熱量之比； （ 4.1） (2)相同換熱面積和換熱量時(shí)，螺紋管與光管所耗的泵功之比； （ 4.2） (3)相同泵功和換熱量時(shí)，螺紋管與光管所需的換熱面積之比。 （ 4.3） 對(duì)于以上三種評(píng)價(jià)指標(biāo)，只要滿(mǎn)足，則所采用的強(qiáng) 化傳熱技術(shù)是有實(shí)際意義的。 令。圖 9、圖 10、圖 11給出了計(jì)算范圍內(nèi)在肋參數(shù)范圍內(nèi)， 的變化規(guī)律，可以看出 在 1.2411.300 的范圍之間，說(shuō)明內(nèi)螺紋的強(qiáng)化傳熱具有實(shí)際意義。通過(guò)比較基于相同泵功的評(píng)價(jià)指標(biāo) ，當(dāng) H=0.04， N=40， =41 時(shí)， 值最高，表示在此參數(shù)下的螺紋管綜合換熱效果是最好的。 圖 9 螺旋角 變化對(duì) 的影響 圖 10 肋數(shù) N 變化對(duì) 的影響 圖 11 肋高 H 變化對(duì) 的影響 5 結(jié)論 螺紋管能夠增加管內(nèi)流體的擾動(dòng)，可使流體螺旋前進(jìn)，使流體充分混合，從而增強(qiáng)流體的傳熱效果?；谝陨系臋C(jī)理，本文對(duì)內(nèi)螺紋肋管進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究?jī)?nèi)螺紋肋管的幾何參數(shù)變化與螺紋管的關(guān)系，總結(jié)螺紋管內(nèi)的流動(dòng)與傳熱規(guī)律。通過(guò)數(shù)值模擬與計(jì)算研究，本文得出了以下幾點(diǎn)結(jié)論： （ 1）隨著螺旋角的增大，內(nèi)螺紋肋管的換熱效果總體是增強(qiáng)的，在 41 時(shí)，出現(xiàn)了最大值，此時(shí)的 Nu值最大； （ 2）隨著肋數(shù)的增加，內(nèi)螺紋肋管的傳熱效率也有一定程度的增加，但是增加的幅度較小； （ 3）隨著肋高的增加， Nu數(shù)明顯增加，對(duì)于三個(gè)幾何參數(shù)，肋高對(duì)流動(dòng)傳熱的影響較 大，其次是螺旋角，最后是肋數(shù)。 （ 4）研究范圍內(nèi)，通過(guò)對(duì)換熱性能的綜合評(píng)價(jià)得出最佳的肋參數(shù)為 H=0.04， N=40， =41 。 參考文獻(xiàn) 1 孫東亮，樊菊芳，王良璧 . 內(nèi)螺紋肋管內(nèi)流動(dòng)與傳熱的數(shù)值模擬 J.工程熱物理學(xué)報(bào)， 2006， (26)3： 483-485 2 董 ，吳江全，劉振德 . 螺紋管綜合性能的研究探討 J. 熱能動(dòng)力工程 ,1990(5)1： 12-35. 3 Webb R.L.Heat Transfer and Friction Characteristics of Internal Helical-RibRoughness J. 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