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作者：毛勇兰州交通大学

学位级别：硕士

随着我国铁路不断向着高速重载发展,对机车用扁管管翅式换热器的性能要求也越来越严格。在实际应用中为了提高换热器的换热效率但不增加换热器的体积和重量,常常在换热性较差的一侧放置涡产生器来达到此目的。涡产生器产生的纵向涡能够... 详细信息

随着我国铁路不断向着高速重载发展,对机车用扁管管翅式换热器的性能要求也越来越严格。在实际应用中为了提高换热器的换热效率但不增加换热器的体积和重量,常常在换热性较差的一侧放置涡产生器来达到此目的。涡产生器产生的纵向涡能够促进通道内的冷热流体的掺混,削弱或破坏边界层的发展,使得通道内的换热增强。目前,国内外大量对涡产生器的研究表明曲面翼型涡产生器相较于平面翼型涡产生器具有更好的传热性能。许多文献集中在涡产生器对矩形通道、圆管和椭圆管管翅换热器换热性能的研究上,尚未有文献研究曲面涡产生器对扁管管翅式换热器的流动和传热影响。论文对扁管管翅式换热器中常用的平面涡产生器进行了改进,在涡产生器面积不变的前提下,将通道内每排单个平面涡产生器改进为每排一对曲面涡产生器。对比了涡产生器改进前后对换热器换热性能影响的差异,并进一步分析了涡产生器的攻角、涡产生器高度与底边长度之比和位置对换热器换热性能的影响。主要结论如下:纵向涡的强度随着涡产生器的攻角增大而增大,相同涡产生器面积下,曲面涡产生器产生的纵向涡的强度更大。曲面涡产生器能有效降低翅片表面的温度,显著提升换热器的换热性能。与平面涡产生器相比,曲面涡产生器的平均Nu最大增大了26.02%,阻力系数f最大增加了45.04%,强化换热评价因子最大增加了13.39%。曲面涡产生器高度与底边长度之比H/l越小,纵向涡的强度越大,两个主涡之间的共同向上的流体结构对翅片表面的冲刷更加剧烈,强化换热效果更加明显。涡产生器位置为0-23.15mm,攻角β=35°时,与涡产生器高度与底边长度之比H/l=0.766相比,当涡产生器高度与底边长度之比H/l=0.391时,换热器的平均Nu增加了2.74%～8.03%,阻力系数f增加了0.52%～8.0%,强化换热评价因子JF增大了2.1%～9.3%。将每排扁管对应的第一组曲面涡产生器放置在扁管前端对强化换热更有利,相比于其它涡产生器间距,涡产生器间距为23.15mm时能提高换热器整体的换热性能。当涡产生器位置为0-23.15mm时,相比于涡产生器位置为23.15-11.575mm,平均Nu最加了4.6%～8.2%,阻力系数增加了6.9%～8.2%;在Re=900,β=35°。曲面涡产生器位置为0-23.15mm时,强化换热评价因子JF最大为1.31。当Re1800时,分别采用涡产生器位置为11.575-23.15mm、0-23.15mm和0-11.575mm能获得较好的换热性能。

关键词：曲面涡产生器纵向涡扁管管翅式换热器强化换热

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换热通道内曲面涡产生器强化换热数值研究

换热通道内曲面涡产生器强化换热数值研究

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作者：史维娜兰州交通大学

学位级别：硕士

在换热通道中安装涡产生器是一种高效的无源强化传热方法,涡产生器产生的纵向涡破坏边界层,使得冷热流体更好的混合,从而达到强化传热的目的。涡产生器的攻击角、高度、形状、位置以及曲率等参数都会影响纵向涡的大小。目前,关于曲面涡... 详细信息

在换热通道中安装涡产生器是一种高效的无源强化传热方法,涡产生器产生的纵向涡破坏边界层,使得冷热流体更好的混合,从而达到强化传热的目的。涡产生器的攻击角、高度、形状、位置以及曲率等参数都会影响纵向涡的大小。目前,关于曲面涡产生器的研究较少,对曲面三角翼型涡产生器的研究甚至更少,未曾报道过曲面三角翼型涡产生器等弧长的曲率对板翅式翅片传热影响的研究以及曲面三角翼型涡产生器位置对管翅式翅片传热影响的研究。因此,本文数值研究了曲面三角翼型涡产生器的曲率对板翅式翅片传热的影响,发现存在最佳涡产生器的曲率使得翅片换热性能最佳,除此之外,还研究了曲面三角翼型涡产生器的横向位置及纵向位置对管翅式翅片传热的影响。本文通过数值模拟研究得出以下结论:曲面三角翼型涡产生器的曲率对板翅式翅片传热影响的数值研究结果表明:曲率的变化影响换热通道的传热流动特性。凹型涡产生器的换热效果强于平直涡产生器的换热效果,而平直涡产生器的换热效果强于凸型涡产生器的换热效果。存在最佳曲率的涡产生器,使得板翅式翅片的传热流动特性达到最佳。与光通道相比,最佳曲率涡产生器的平均努塞尔数Nu和综合强化传热评价因子JF最大分别增加了34.4%和16.5%。不同曲率涡产生器之间的平均努塞尔数Nu和综合强化传热评价因子JF最大分别相差22.9%和11.2%。曲面三角翼型涡产生器的横向位置对管翅式翅片传热影响的数值研究结果表明:不同的横向位置对管翅式翅片传热的影响不同。当涡产生器从初始位置向上移动时,平均努塞尔数Nu和综合强化传热评价因子JF均逐渐减小,这意味着涡产生器向上移动时,不利于翅片换热。当涡产生器从初始位置向下移动时,低雷诺数时的Nu和JF逐渐减小,高雷诺数时的Nu和JF先增大后减小,存在最佳的横向位置使翅片换热性能达到最优。与初始位置相比,Nu和JF最大分别增加了1.28%和1.38%。不同横向位置之间的Nu和JF最大相差16.9%和16.0%。曲面三角翼型涡产生器的纵向位置对管翅式翅片传热影响的数值研究结果表明:纵向涡的强度和翅片传热明显受到涡产生器纵向位置的影响。涡产生器存在最佳的纵向位置,可实现最优的传热性能。与光通道相比,最佳纵向位置的平均努塞尔数Nu和阻力系数f分别增加了15.2%3.9%和12.2%5.7%。与初始位置相比,最佳纵向位置的努塞尔数Nu和阻力系数f分别增加了5.4%.8%和4.8%2.2%,强化传热评价因子JF最大增加了8.1%,最高可达1.38。努塞尔数Nu与纵向涡强度Se之间存在良好的对应关系,这意味着二次流的强度决定了传热。该研究结果对曲面三角翼型涡产生器的翅片管换热器的设计和优化具有重要意义。

关键词：曲面涡产生器曲率横向位置纵向位置强化换热

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一种改进型曲面涡产生器在管翅式换热器中的数值研究

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武汉理工大学学报（交通科学与工程版） 2019年第5期43卷 930-936页

作者：陈凯伦钱作勤王强武汉理工大学能源与动力工程学院

为了探究提出的改进型曲面涡产生器对换热器换热和流动特性的影响,采用数值仿真方法,对改进型曲面涡产生器翅片和改进前翅片在对换热器换热和流动特性上的影响进行比较分析,并且探究了不同曲面涡产生器偏移距离对传热特性的影响.结果表... 详细信息

为了探究提出的改进型曲面涡产生器对换热器换热和流动特性的影响,采用数值仿真方法,对改进型曲面涡产生器翅片和改进前翅片在对换热器换热和流动特性上的影响进行比较分析,并且探究了不同曲面涡产生器偏移距离对传热特性的影响.结果表明,改进型曲面涡产生器能够改善尾涡区流动状态,增强二次流的形成;与改进前的结构相比,改进型曲面涡产生器的Num和f均增大.通过对L和JF因子的比较,改进型的曲面涡产生器具有较优的综合强化传热能力,在较大Re数时,偏移距离OD=1.5mm的曲面涡产生器具有更好的综合传热性能.

关键词：曲面涡产生器数值仿真传热和流动偏移距离

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环置曲面三角形涡产生器翅片管束通道内流动与传热特性数值研究

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热科学与技术 2024年第4期 403-412页

作者：张玲林志敏李圣帆石文奎王良璧兰州交通大学机电工程学院铁道车辆热工教育部重点实验室

平直翅片管翅式换热器翅片侧通道内的马蹄形涡的强度有限，而在翅片表面冲压三角形曲面涡产生器可以诱导产生强烈的二次流，从而增强翅片表面的传热性能。采用数值方法对环置曲面涡产生器翅片管束通道内的流动与传热进行了模拟，并采用... 详细信息

平直翅片管翅式换热器翅片侧通道内的马蹄形涡的强度有限，而在翅片表面冲压三角形曲面涡产生器可以诱导产生强烈的二次流，从而增强翅片表面的传热性能。采用数值方法对环置曲面涡产生器翅片管束通道内的流动与传热进行了模拟，并采用无量纲参数Se量化了翅片管束通道内的二次流强度。对比分析了平直翅片管束通道和环置曲面三角形涡产生器翅片管束通道内二次流特性及翅片表面传热特性，进一步分析了圆管前端的曲面涡产生器的周向位置及径向位置对其二次流特性和传热性能的影响，并探讨了翅片侧通道内二次流特性和传热特性的关系。结果表明：环置曲面三角形涡产生器可在通道中产生较强的二次流，同时涡产生器的引流作用明显改善了管后尾涡区的传热性能，从而提高了换热器整体换热性能。在较高Re条件下，环置曲面涡产生器起到强化传热作用。在所研究的参数范围内，最优结构参数与Re有关，当DVG1/Dc=1.55,β1=105°和Re=2 500时，强化传热因子JF可达1.23。

关键词：翅片管束通道强化换热二次流曲面涡产生器数值模拟

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带涡产生器波纹翅片管翅式换热器流动与传热特性研究

带涡产生器波纹翅片管翅式换热器流动与传热特性研究

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作者：胡东亮兰州交通大学

学位级别：硕士

在换热通道内开缝、涂层以及添加扰流元件都是发展较为成熟的无源强化传热技术,目前已广泛的应用于管翅式、板翅式等热交换器结构上。目前,在管翅式波纹通道内安装涡产生器的研究较少,而在波纹翅片管翅式换热通道内安装一个或多个曲面... 详细信息

在换热通道内开缝、涂层以及添加扰流元件都是发展较为成熟的无源强化传热技术,目前已广泛的应用于管翅式、板翅式等热交换器结构上。目前,在管翅式波纹通道内安装涡产生器的研究较少,而在波纹翅片管翅式换热通道内安装一个或多个曲面三角翼型涡产生器的研究则更少。因此,本文在湍流范围内,通过数值模拟的手段数值研究了一对曲面翼型涡产生器对波纹翅片管翅式换热通道传热的影响,分析了曲面三角翼型涡产生器产生的纵向涡在管翅式波纹通道内的运动、干涉、发展和变化,研究了曲面翼型涡产生器的攻击角α和安装位置ΔL对换热通道内的流动和热性能影响,最后结合将数值模拟得到的数据和人工神经网络与多目标优化算法结合,得到组合翅片中目标变量的Q和P的Pareto最优解集。本文通过数值模拟研究得出以下结论:在波纹翅片管翅式通道内添加曲面翼型涡产生器可以显著的增加通道内流体的扰动。布置有两个曲面翼型涡产生器的波纹管翅式通道的平均Nu明显大于光滑波纹通道和其他通道。与光滑波纹通道、布置一个平面翼型涡产生器的通道和布置两个平面翼型涡产生器的通道相比,布置有两个曲面翼型涡产生器的情况下换热通道内的平均Nu分别增加了18.98%、9.28%和3.27%。与光滑的波纹形通道相比,布置有两个曲面翼型涡产生器的情况下通道的f最大增加了8.5%。曲面翼型涡产生器的横向位置ΔL从0 mm变化到3.5 mm时,在所研究的Re范围内,翅片侧的平均Nu随ΔL的增加先增加后减少,在ΔL为2.5 mm达到极大值。当ΔL=2.5mm时,布置有两个曲面翼型涡产生器的波纹通道内的平均Nu相对于光滑的波纹通道最多可以增加27.1%。在所研究的Re范围内,翅片侧的阻力系数f随ΔL的增加逐渐增加。ΔL从0 mm变化到2.5 mm时,阻力系数f的增加比较明显;随着ΔL从2.5 mm继续增加,阻力系数f的变化非常微弱。当ΔL为3.5 mm时,阻力系数f与光滑通道相比最多增加14.2%。曲面翼型涡产生器的攻击角α从20°逐渐增大到40°时,涡产生器的朝向与主流流体的夹角变大,涡产生器对流体的引导作用逐渐增大。当攻击角α从40°增加到50°时,涡产生器与主流所成的夹角已经够大,对流体的引导作用达到最强;此时继续增加攻击角α并不会增大对流向管壁流体的引导。攻击角α=40°、横向距离ΔL=2.5 mm时的工况换热性能最好。与ΔL=0 mm时相比换热通道内的平均Nu的最大增加约为7.76%,与光滑波纹型通道相比,在所研究的Re范围内,横向距离ΔL=2.5 mm的情况下换热通道内的平均Nu值从24.01%增加到30.23%。在Re=600时最大综合性能评价因子JF可达1.24。将数值模拟得到的数据和人工神经网络与多目标优化算法结合,建立了以涡产生器攻击角α、横向距离ΔL和Re为决策变量,单位温差和单位体积下的传热功率Q与单位体积的泵功率P作为优化目标的组合翅片的优化模型。得到了组合翅片中目标变量的Q和P的Pareto最优解集。选取Pareto前沿中最优解的一些建议值以供参考。曲面翼型涡产生器的优化布置可以显著提高波纹翅片管翅式换热器翅片侧的传热能力。在相同的泵功率P下,与光滑波纹通道相比,传热功率Q最高可提高35.73%。该研究结果对带曲面三角翼型涡产生器的波纹翅片管翅式换热器的设计和优化具有重要意义。

关键词：管翅式波纹翅片曲面涡产生器横向位置攻击角多目标优化

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