异型管套管式换热器的实验研究与数值模拟

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3.0 陈辉 2024-11-19 19 4 2.48MB 73 页 15积分

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中图分类号：

TK124

异型管套管式换热器的

实验研究与数值模拟

工程热物理

刘红

马虎根教授

二○一二年二月

学校代码：10252

学号：092270009

上海理工大学硕士学位论文

异型管套管式换热器的

实验研究与数值模拟

姓名刘红

系别能源与动力工程学院

专业工程热物理

研究方向强化传热及高效换热器

指导教师马虎根教授

学位论文完成日期 2012年2月

University of Shanghai for Science and Technology

Master Dissertation

Experimental Research and Numerical

Simulation for Double Pipe Heat Exchanger

with Special-shaped Tube

Name Liu Hong

Department Power Engineering

Specialty Engineering Thermo physics

Research Direction Enhanced Heat Transfer and High-

Efficient Heat Exchanger

Supervisor Professor Ma Hugen

Complete Data February 2012

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不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的作品成果。对本

文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本声明的法律责任由本人承担。

学位论文作者签名：

年月日

摘要

本课题的主要目的是通过实验和数值模拟的方法，研究四种异性管在相同的

工况下的传热性能和流动性能，同时还对椭圆扭曲扁管进行了深入的数值模拟研

究。主要进行以下几个方面的工作：

1. 对4种异型管进行实验研究，主要内容包括：

1) 设计四种异型管（缩放管、横纹波纹管、螺旋波纹管和椭圆扭曲扁管）尺

寸和实验工况，负责试验台各部分的主要搭建工作。

2) 研究了不同实验工况下，对各异型管管内外的传热性能和流动性能。

3) 对实验数据进行批量处理并对结果进行比较分析。

2. 对7个管型进行数值模拟，主要内容包括：

1) 对进行过实验研究的 4个异型管管型，进行物理建模和数学建模，并用 CFD

数值模拟软件在与实验相同的工况下模拟其温度场和速度场，并对其传热性能进

行深入的研究分析。

2) 椭圆扭曲管由于其独特的强化性能优势，本课题对其进行了拓展研究。课

题分别对不同的导程 S，不同的短长轴 B/A 进行了温度场和速度场的研究分析。

通过实验和模拟研究，本文得到了以下结论：

1. 四种异型管：

1) 缩放管换热效果最好。在相同流量下，传热系数比其它管子（螺旋波纹管

和横纹波纹管）高 20%～40%。

2) 其次为扭曲管。传热系数略低于圆锥缩放管。扭曲管的另外一个特点是管

内流动的流体换热也得到明显强化。

3) 缩放管管内流动阻力最大。阻力大小依次是：缩放管、横纹波纹管、扭曲

管、螺旋波纹管。

4) 在本试验范围内，当管内流速足够高时，扭曲管换热效果增加并不明显，

但阻力增加明显。当管内流速增加时，扭曲管换热效果有较明显的增加。

5)扭曲管在低速下，此时有较高的传热系数和较小的流动阻力，但是其综合性

能则表现为在较高雷诺数情况下，比其他三种综合传热性能要好。

2. 三种相同管型（椭圆扭曲扁管）：

1)相同短长轴比 B/A，导程 S小的其传热性能要好于导程大 S的。

2)相同导程 S，短长轴比 B/A 越小，其传热效果越好。

关键词：异型管传热性能阻力性能数值模拟实验研究

ABSTRACT

The main purpose of this project is to study the heat transfer performance and

flow performance of four kinds of shaped tubes. It is done by experiments and

numerical simulation at the same conditions. Here the numerical simulation studies of

twisted tube are also done in-depth. Mainly aspects as following:

1. An experimental study of four kinds of special-shaped tubes, the main contents

include:

1) Design for four kinds of shaped tubes (converging-diverging tube, transversally

corrugated tube, corrugated tube and twisted tube) and experimental conditions,

responsible for the main structures of the various parts of the test rig.

2) Study the performance of heat transfer and flow for the special-shaped tubes at

different experimental conditions.

3) Deal with and compare the experimental data and the results.

2. Seven specimens are designed to simulate and the main contents are:

1) Physical modeling and mathematical modeling are created for four kinds of

special-shaped specimens. And CFD simulation software is used to simulate the

temperature field and velocity field at the same experimental conditions, and also

another research in-depth for the thermal performance is finished and analyzed.

2) To study the further thermal performance of twisted tube. S and B/A are studied

to find the effect on thermal transfer performance.

By experiment and simulation, conclusions are reserved as following:

1. Four kinds of shaped tubes:

1) Converging-diverging tube’s heat exchanger performance is best. In the same

flow, heat transfer coefficient is 20% to 40% higher than the transversally corrugated

tube, corrugated tube.

2) Twisted tube’s heat transfer performance is second one. The heat exchanger can

also be significantly strengthened of fluid within.

3) Converging-diverging tube’s flow resistance is also the largest. It can be

showed according resistance: converging-diverging tube, transversally corrugated tube,

twisted tube and corrugated tube.

4) Within the scope of this experiment, when the internal velocity is high enough,

the effect of twisted tube’s heat exchanger performance does not significantly increase,

but the resistance increased significantly. When internal velocity increases, the effect

of twisted tube’s heat exchanger performance has a more pronounced increase.

5) Twisted tube has a better heat transfer performance (especially at low speeds),

it has a higher heat transfer coefficient and a smaller flow resistance.

2. Three kinds of the same tube type (Twisted tube):

1) For the same ratio B/A, heat transfer performance of tubes with short S is better

than the tubes with large S.

2) For the same S, the smaller ratio B/A, the better heat transfer effect is.

Keywords: Special-shaped tubes, Heat transfer performance, Resistance

performance, Numerical simulation, Experimental Research

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中图分类号：TK124异型管套管式换热器的实验研究与数值模拟工程热物理刘红马虎根教授二○一二年二月学校代码：10252学号：092270009上海理工大学硕士学位论文异型管套管式换热器的实验研究与数值模拟姓名刘红系别能源与动力工程学院专业工程热物理研究方向强化传热及高效换热器指导教师马虎根教授学位论文完成日期2012年2月UniversityofShanghaiforScienceandTechnologyMasterDissertationExperimentalResearchandNumericalSimulationforDoublePipeHeatExchangerwithSpeci...

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