凸起和椭球胞枕板式换热器流动与传热性能研究

作     者：胡红雷 

作者单位：兰州交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：宋克伟

授予年度：2023年

学科分类：080702[工学-热能工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：枕板式换热器 焊点 凸起 椭球胞 强化换热 

摘      要：枕板式换热器作为一种新型板式换热器,其波纹流道能够增加流体换热面积和增强流体扰动,继而改善通道的换热,被运用于多个领域。目前枕板式换热器的研究多集中于焊点形状、纵横向间距和通道高度等的变化,将凸起和椭球胞等丁胞结构布置在枕板式换热器翅片表面的研究较少。在换热通道的翅片表面布置丁胞结构时,丁胞产生的纵向涡可减薄壁面附近热边界层,促进换热壁面与流体的热交换和通道内冷热流体的混合,从而提高通道的换热效果。在枕板式换热器的翅片表面布置凸起和椭球胞,通道换热改善的同时,流体流动阻力也往往增大。为提高枕板式换热器的综合换热性能,文中运用数值模拟的方法,分析了焊点形状、凸起和椭球胞对枕板式换热器流动与换热特性的影响。数值模拟结果如下:(1)对圆型、水滴型、翼型、椭圆Ⅰ型(长轴沿流动方向)、椭圆Ⅱ型(长轴垂直于流动方向)和扁管型焊点枕板式换热器的研究发现,主流区的换热在枕板通道的热交换中起主要作用,焊点后回流区的换热较差。与圆型焊点相比,水滴型、翼型、椭圆Ⅰ型和扁管型焊点光通道的主流速度减小,主流换热减弱,但回流区的换热得到改善。椭圆Ⅱ型焊点通道内主流速度和流动阻力最大,主流换热最好;翼型焊点通道的主流速度和流动阻力最小,主流换热较差,但翼型焊点后回流区的换热较好。水滴型、翼型、椭圆Ⅰ型、椭圆Ⅱ型和扁管型焊点换热通道的综合性能因子JF相比于圆型焊点分别增大了1.0%-4.2%、1.3%-8.9%、1.0%-8.1%、1.0%-3.8%和1.0%-6.7%。(2)布置凸起后,凸起产生的纵向涡冲刷上下壁面,减薄了壁面附近的热边界层,能促进换热壁面与流体间的热交换和通道内冷热流体间的混合,继而增强通道的换热性能。凸起产生的纵向涡增强了回流区流体与主流间的热交换,使得焊点后的换热死区变小,回流区换热得到改善。凸起通道内换热效果改善的同时,流体流动阻力增大。其中,弧凸起能更好地改善主流区和回流区换热效果,弧凸起通道内流动阻力更大。对比不同焊点和凸起形状的换热通道,椭圆Ⅱ型焊点弧凸起通道的Nu和f最大,翼型焊点直凸起通道的Nu和f最小。布置直凸起时,椭圆Ⅰ型焊点直凸起通道的JF最大,JF提高了14.3%-23.4%。布置弧凸起时,翼型焊点弧凸起通道的JF最大,JF提高了15.3%-27.8%,表明弧凸起能更好的改善通道的综合性能。(3)布置椭球胞后,椭球胞产生的纵向涡能促进通道内冷热流体间的混合,且焊点后产生的纵向涡促进了回流区的换热,使得焊点后的换热死区变小。其中,椭圆Ⅱ型焊点椭球胞通道的平均Nu和f最大,翼型焊点椭球胞通道的平均Nu和f最小。与圆型焊点光通道相比,圆型、水滴型、翼型、椭圆Ⅰ型、椭圆Ⅱ型和扁管型焊点椭球胞通道的JF分别增大了6.8%-16.7%、12%-22%、14.6%-22.4%、14.4%-23.4%、3.6%-10.4%和12.3%-22.1%。Re6000时,翼型焊点椭球胞通道的JF最大。