基于FLUENT的波節(jié)管換熱器性能數(shù)值仿真及其結構優(yōu)化.pdf

1、隨著社會的發(fā)展與人們生活水平的提高，人類對能源需求的日益劇增與地球資源的日益枯竭這一矛盾正在不斷加劇。開發(fā)各類高效換熱器合理高效地使用能源，是緩和這一矛盾的主要途徑之一。波節(jié)管換熱器是一種新型的換熱器，擁有較好的強化傳熱性能。本文以波節(jié)管換熱器為研究對象，運用FLUENT軟件從流動特性和傳熱特性兩個方面出發(fā)對波節(jié)管換熱器的管程和殼程進行仿真模擬。本文的主要研究工作包括：
　　 第一，采用CFD數(shù)值模擬方法，以水為介質對波節(jié)管管程

2、進行3D全管長建模仿真。流動特性方面，將波節(jié)管管程的速度場、速度矢量圖、流線圖和壓力場與對應型號的光管進行對比分析，研究波節(jié)管的強化機理。研究表明，由于波節(jié)管流道截面的膨脹與收縮使得其對稱截面上的速度云圖呈周期性分布且在各個波峰內形成了漩渦狀的回流區(qū)。波節(jié)管管程的壓力損失遠大于光管，這表明波節(jié)管傳熱性能的提高是以阻力的增大為代價的；傳熱特性方面，將波節(jié)管管程的溫度場與光管進行對比，研究了波節(jié)管的局部Nu數(shù)分布，并將相同工況下兩種換熱管的

3、平均Nu數(shù)進行對比。本文發(fā)現(xiàn)，局部Nu數(shù)的最小值和最大值分別出現(xiàn)在波峰上游處和收縮段尾部，且在相同工況下波節(jié)管的平均Nu數(shù)高于光管，但強化性能隨著Re數(shù)的增加而逐漸減弱。
　　 第二，對無折流板殼程KC_BJG32、KC_GG_W和折流板殼程KC_GG_Y進行仿真分析。流動特性方面，將三個殼程的速度場、速度矢量和壓力場進行對比分析。結果表明，折流板是影響殼程流動特性最主要的因素，折流板的引入很大程度上改善了殼程的流動狀況，但壓力

4、損失也急劇增大；傳熱特性方面，對比了三個殼程的溫度場，并以“單位壓降下的熱流量”為評定標準對三個殼程進行綜合性能評定。研究表明，無折流板殼程KC_BJG32和KC_GG_W的溫度分布基本相同，前者略好于后者，但都不如折流板殼程KC_GG_Y換熱充分。而由于壓降的急劇增大，KC_GG_Y的綜合性能反而最差，KC_BJG32的綜合性能最好。
　　 第三，以波節(jié)管幾何結構參數(shù)D1、S1、S2、S為變量設計3個系列共15根波節(jié)管進行結構

5、優(yōu)化分析。研究表明，波深D1和波長S是影響波節(jié)管強化性能最重要的兩個幾何參數(shù)，引入無量綱波節(jié)管幾何因子ε0=(D1-D2)/S將兩者聯(lián)系起來。仿真結果表明當ε0=0.280左右時，波節(jié)管的強化性能最好。
　　 第四，將仿真結果光管管程壓降△P、光管平均Nu數(shù)、折流板殼程壓降△P'分別用《換熱器設計手冊》中推薦的工程經(jīng)驗公式和流體力學中的實驗關聯(lián)式進行計算對比。結果表明三者的最大偏差分別為：13.5％，22.57％，13.81％，