波節(jié)管管束流動與傳熱特性及結構優(yōu)化研究.pdf

1、本文主要針對波節(jié)管換熱器展開研究，內容集中在管間流動換熱和殼程進口整流上。首先對三角形波節(jié)管管束的布置形式進行分析，在此基礎上提出錯位波節(jié)管管束，并對其進行深入分析，利用minitab軟件進行響應曲面優(yōu)化。而后對殼程進口進行結構優(yōu)化，并對整流效果進行模擬分析。具體如下：
　　(1)從換熱器中抽取出了三角形管束換熱單元，并提出一種新型的錯位波節(jié)管管束。其次對波節(jié)管管束進行網(wǎng)格劃分，并進行了網(wǎng)格無關性驗證，即當主流區(qū)網(wǎng)格大小為0.55

2、左右可保證精度。而后結合經(jīng)驗公式并用兩種湍流模型對光管管束模型進行了計算及對比分析，發(fā)現(xiàn)采用Realizable k-ε與經(jīng)驗公式的吻合度較好，且其誤差均控制在15％以內。對比研究了傳統(tǒng)和錯位波節(jié)管管束在不同雷諾數(shù)下對傳熱性能的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)兩種管束的離散突起聚集狀態(tài)的不同對流動換熱有著較大的影響，錯位波節(jié)管管束將波節(jié)錯位，離散波節(jié)的擾動大幅降低，但增大了流體擾動的頻率，從而具有更低的阻力特性，在溫差下降時保持基本相同的換熱特性。即錯位

3、波節(jié)管可在換熱性能相近的前提下，大幅提高阻力性能，從而其綜合換熱性能相比傳統(tǒng)波節(jié)管管束可提高7-24%。
　　(2)在改變波高、波距、管距和流速下，研究了錯位波節(jié)管管束的傳熱性能、阻力性能以及綜合傳熱性能，并結合局部Nu和ΔP進行了細致分析。發(fā)現(xiàn)增大波節(jié)間距，換熱性能和阻力降低且下降幅度逐漸減小，而管束的η逐漸增大且最大幅度逐漸減小。增大波節(jié)高度，換熱性能和阻力基本成比例提高，但阻力的增加幅度較大，致使換熱性能管束的η下降。增大管

4、間距，換熱性能相對光管逐漸降低且下降幅度越來越小，阻力相對光管逐漸提高，η則隨之降低。
　　(3)針對錯位波節(jié)管管束，在改變各結構參數(shù)下，對錯位波節(jié)管管束的速度場、溫度場、壓力場、湍動能及湍流耗散率等進行了細致分析。發(fā)現(xiàn)波節(jié)間距增大，離散波節(jié)對流體擾動大小不變，而同一流程上的平均速度呈非線性下降，從而換熱性能及阻力呈現(xiàn)減小幅度降低的非線性下降。波節(jié)高度越大，離散波節(jié)對流體的擾動呈線性增大，換熱性能呈線性增加，由于相鄰波節(jié)的湍流核心

5、區(qū)相互疊加增強，阻力呈現(xiàn)增幅增加的非線性變化。管間距越大，流速越低，離散波節(jié)對流體擾動大幅下降，換熱效果隨著降低，湍流核心區(qū)及湍動能減小。
　　(4)采用minitab軟件結合四種影響因子對五種響應值進行了響應曲面分析。通過方差分析，運用P和F對單因子，交互因子和平方因子的顯著性進行了排序，并通過響應曲面分析，對因子與響應值的影響規(guī)律進行了揭示。剔除非顯著因子得到最優(yōu)擬合二元回歸方程，利用帕雷托優(yōu)化設計來得到一對矛盾響應值Nuc/

6、Nus和fc/fs的最優(yōu)曲線，進而得到η的極大響應，當Nuc/Nus為1.43時，可獲取最小的fc/fs為1.585，此處對應的綜合傳熱系數(shù)為1.845。
　　(5)針對換熱器殼程進口結構進行了數(shù)值模擬研究。對比發(fā)現(xiàn)新型換熱器殼程區(qū)域流速較高且較為平穩(wěn)，基本為縱掠管束流動。而后，針對梳形擋板的不同結構研究了相應的殼程流動狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)當梳形擋板取第一種類型，整流孔占比Φ為12.81%時，流體達到穩(wěn)定流動的殼程長度較小，不均勻度的峰值最