波形管强化传热性能实验研究及波形扁管的开发
本文以水为换热介质，采用实验研究方法对波形管的传热性能和阻力特性进行了研究。在波形管和扁管研究成果的基础上开发出一种新型的波形扁管，通过数值模拟，采用正交试验方法对波形扁管进行了研究，并对波形管和波形扁管强化传热的机理进行了分析。 实验表明，在5165≤Re≤27142的实验范围内，波形管的总传热系数相比直管提高了23.8％～58.4％，波形管与直管的阻力系数均随着Re数的增加而增加，但增长趋势都逐渐减缓。通过阻力系数拟合公式计算的波形管阻力系数比直管的增加了12.3％～38.9％,且增长率呈单调增长趋势。综合传热评价指标JP随着Re数的增大而单调减小，其值在1.15～1.65的范围内，即在消耗相同泵功的条件下，波形管的传热量可比直管的提高15％～65％。 在波形管实验研究的基础上，同时结合扁管的结构和性能特点，开发出了波形扁管，明确了波形扁管的主要结构参数为波幅、弦长、压扁率和扭转角度，并由此确定了其几何结构。利用正交试验方法进行数值模拟分析，以管内表面传热系数h和由等泵功耗公式推导而来的G因子作为正交试验的两个评价指标进行极差分析，得出了波形扁管四种结构参数对其换热和流动阻力性能的影响。结果表明:以传热系数h为评价指标的最优波形扁管结构为:波幅14mm，弦长40mm，压扁率0.4，扭转角度60度，并且各参数影响的主次顺序是压扁率β＞弦长b＞波幅a＞扭转角度θ;以G为指标时的最优波形扁管结构为:波幅5mm，弦长70mm，压扁率0.8，扭转角度0度，并且各因子影响的主次顺序是压扁率β＞波幅a＞弦长b＞扭转角度θ。 通过数值模拟，在4000≤Re≤20000的范围内，对波形扁管分别与光滑直管、波形管及扁管的传热与流动阻力性能进行了对比研究。结果显示:波形扁管的传热系数比直管的提高了103～374％，比波形管提高了56～63％，比扁管提高了28～47％。对于综合传热性能，波形扁管与直管相比为0.89～1.93，与波形管相比为1.01～1.06，与扁管相比为0.88～1.08。由此可见，波形扁管极大地强化了传热，且在一定的Re数范围内还能降低单位传热量的流体输送功耗。 通过模拟验证和分析表明:波形管和波形扁管流道中产生了二次流，因此强化了传热。此外，波形扁管还具有扁管的流动特性，即在Re数相同时扁管比圆管内的流速更大，从而增加了管壁处的速度梯度和流体对边界层的冲刷作用，进一步强化了传热。
波形管;强化传热性能;阻力特性;正交试验;数值模拟
郑州大学
硕士
热能工程
吴金星
2014
中文
TK124
81
2014-09-25（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）