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【6h】

换热器凹槽通道中流体流动的实验与数值模拟

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摘要

1 绪论

1.1 课题背景

1.2 研究现状

1.2.1 流体力学性能与流动特性研究

1.2.2 流动不稳定性与传递特性研究

1.2.3 脉动流场研究

1.2.4 流动与换热特性研究

1.3 本文主要研究内容

1.3.1 研究方法

1.3.2 研究内容

2 实验方法

2.1 相关流体力学理论

2.1.1 流体的粘性

2.1.2 流体运动阻力与损失

2.1.3 流体边界层

2.2 实验装置设计

2.3 凹槽通道的尺寸参数

2.4 沿程阻力测量系统

2.5 流动可视化拍摄系统

2.6 本章小结

3 凹槽通道实验研究

3.1 参数定义

3.2 凹槽通道流动特性

3.2.1 凹槽通道摩擦系数

3.2.2 凹槽通道压力与压力降

3.3 凹槽长度对流动特性的影响

3.3.1 几种通道摩擦系数对比

3.3.2 几种通道压力、压力降对比

3.4 通道内流动结构

3.5 本章小结

4 凹槽通道数值模拟

4.1 物理模型

4.2 数值计算模型

4.2.1 计算控制方程

4.2.2 湍流模型的选取

4.2.3 边界条件

4.2.4 网格生成和求解策略

4.3 数值结果分析

4.3.1 摩擦系数验证

4.3.2 流动结构分析

4.3.3 壁面剪切应力分析

4.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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摘要

随着经济的快速增长,节能降耗、高效清洁已然成为世界上许多国家能源发展的方向。经过研发和创新,一系列节能技术和措施陆续出现。通道加置粗糙元是一种相当有效的强化对流的方法。有研究表明,采用粗糙元的异形管或异形通道更易产生扰流,较一般直壁流路有更优秀的传递性能。这对设备的性能优化有重要意义,强化传热传质是提高设备综合效率、降低其寿命周期费用的有效措施。
  本文以换热器的流路为研究对象,研究一种加设凹槽形粗糙元的形式,即在基本的平板通道上开设凹槽。先后利用流体力学实验以及数值模拟的方法,对多种凹槽通道做了测试,得到了凹槽通道内流体流动的特性。重点关注相对于平板通道,凹槽通道中的凹槽结构对流路内压力特性以及应力分布产生的影响。
  从研究的结果中发现诸多不同于平板通道的现象和规律,开设凹槽给整个通道内的流体流动带来明显影响:
  凹槽结构会明显增加通道的阻力,凹槽长度越长通道的摩擦系数越大。不过,这也让通道内流动的转捩提前,可以实现流体低流速下的湍流流动;凹槽结构改变通道内流体的流动结构,流体从通道主流分离出一部分,滞留在凹槽内,形成了涡流。随着流态的变化,涡流逐渐衍变,稳定性也逐渐改变;凹槽结构改变了通道内的流体力学性能,与平板通道不同,通道内凹槽的开设使壁面剪切应力产生周期性突变。这样的结构变化对整体流动都起到很强的扰动作用,应力分布频繁的变化说明传递得到了很好的增强;凹槽的长度比例是性能的重要影响因素,通过比较,加设凹槽的长度与未开槽部分的长度比例相近较好。这时,通道内壁面剪切应力的变化最明显,最大壁面剪切应力值也最大。

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