凹坑凸胞板式换热器性能的数值研究
板式换热器板片表面形状是决定其作为主要传热载体的能量传递和动量转换的主要因素。本文主要通过数值手段研究了板片上一种酒窝形凹凸表面的换热器的流动换热性能,以期获得结构参数对性能的影响,并得到较优的结构外形,进一步为新型板换的设计与开发提供依据。
首先根据文献中的实验数据,确定适合于本论文结构的算法模型为RNG k-ε湍流模型和增强壁面函数法。然后以传热单元为对象采用周期边界对凹坑凸胞的长短轴径和排布倾角的影响进行了细致研究,发现凹坑和凸胞结构均能实现在等泵(风机)功率下的强化换热,换热性能随Re数的增加呈指数规律增大,阻力因子则呈指数规律降低;在高Re数下采用凹坑作为强化表面不划算,在Re<7000时使用凹坑作为强化表面经济效益更高;凸胞结构在Re>10000时比凹坑结构具有更优的综合性能,因此可以考虑其为强湍流下的强化表面;在等泵(风机)功率条件下比较发现最优轴径比为4:5～5:5;而保持轴径比为5:3,当长轴与流向夹角β为15°和75°时综合性能分别达到最低和最高的极值点。该结论通过场协同理论得以验证。
通过流场可视化,从整体到局部分析了凹坑凸胞结构所导致的涡流形态,以速度流线图结合壁面温度场说明结构对换热性能的影响,指出迎风侧换热增强,背风侧换热减弱,纵向涡是形成强化传热与流阻增大的主要因素。
最后通过全流道的Workbench参数化建模发现,凹坑半径和深度存在相关性,使得单因素对流动换热性能的影响作用不一;对凸胞和凹凸相间的流道而言,深度(高度)对传热和阻力性能起主导作用,而半径的影响次之。凹坑流道的传热性能最差,大多数情况下凸胞结构的最高,凹凸相间的流道存在最优的半径6mm使得传热能力最强;凸胞流道的阻力因子一般都最高,在相同结构参数下凹凸相间的流道具有最高的综合性能。
通过对凹凸相间板片的流道进行流动参数和结构参数的正交试验,拟合得到了高精度的描述其传热与流动的关联式:Nu=Re0.449Pr0.244(Hd/D)-0.0148(D/DH)-0.0307(P/DH)-0.161f=Re-0.388Pr0.0297(Hd/D)0.219(D/DH)0.183(P/DH)-0.381。
板式换热器;k-ε￡湍流模型;壁面函数法;板片表面形状;强化换热
郑州大学
硕士
化工过程机械
王定标
2012
中文
TK172
81
2012-09-29（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）