螺旋异型管强化传热数值研究及piv实验分析

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1、分类号学号D201177221学校代码10487密级博士学位论文螺旋异型管强化传热数值研究及PIV实验分析学位申请人：刘佳驹学科专业：工程热物理指导教师：刘伟教授答辩日期：2015年5月13日ADissertationSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofPhilosophyinEngineeringNumericalStudyonHeatTransferEnhancementofSpirallySpecial-shapedTubeandItsPIVExperimentAnaly

2、sisPh.D.Candidate:LiuJiajuMajor:EngineeringThermophysicsSupervisor:Prof.LiuWeiHuazhongUniversityofScienceandTechnologyWuhan,430074,P.R.ChinaMarch,2015独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担

3、。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在____________年解密后适用本授权书。本论文属于不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日本文工作受到国家自然科学基金重点基金(51036003)、国家重点基础研究发展计划(2013CB

4、228302)和教育部博士点基金(20100142110037)的资助。华中科技大学博士学位论文摘要在世界能源危机、中国能源现状和国内产业结构调整的大背景下，发展节能技术，不仅有利于提供现阶段经济发展动力，改善人民生活质量，更符合国家“十三五”战略规划与可持续发展战略。管壳式换热器作为一种通用设备广泛应用工业生产、特别是高能耗产业当中。如果能大幅提高管壳式换热器壳程与管程的对流换热性能，同时不显著地增加功耗，甚至减小功耗，将十分有利于节能降耗工作的展开。因此本文在基于最小耗散原理的强化传热过程优化理论和对流换热过程中的多场协同原理的支撑下，设计了新型的强化传热元件，使其在大幅

5、提高换热性能的同时，流动阻力增加不显著；同时设计了新型管壳式换热器，将这些新型传热元件应用其中，并获得了良好的综合换热特性。介绍了基于最小耗散原理的强化传热过程优化理论和对流换热过程中的多场协同原理，这是新型强化传热元件设计和研究的理论基础。对于对流换热过程而言，将换热过程不可逆耗散与流体流动过程中的功耗作为互为目标函数与约束条件对换热过程进行优化，可以得到具有单涡或者多涡结构纵向旋流的管内优化速度场，结果表明，管内形成单涡或多涡纵向旋流结构能有效提高流体综合对流传热特性。对流换热过程中流体工质质点的多物理量矢量场之间的协同关系，很好地揭示了流体换热与流动阻力之间的关系，解释

6、了管内强化传热与泵功损失的物理本质。设计了两种新型强化传热元件—深槽螺旋波纹管和椭圆偏心螺旋管，同时设计了应用这些新型换热管型的管壳式换热器—采用螺旋波纹管的折流杆换热器、采用螺旋波纹管的自支撑式管壳式换热器以及采用椭圆偏心螺旋管的自支撑式管壳式换热器，并对这些新型换热管型和换热器进行数值模拟研究。通过对深槽螺旋波纹管的数值模拟研究可以发现，深槽螺旋波纹管可以使其管内流体形成整体纵向旋流，使管内流体在大幅提高换热性能的同时，流动阻力增加不显著。研究发现，深槽螺旋波纹管中流体传热与流动的性能评价系数PEC值最高可达2.98，说明管内纵向旋流的形成能有效提高其综合传热性能。对采用

7、深槽螺旋波纹管的折流杆换热器研究发现，深槽螺旋管外壁面与折流杆共同作用能改变换热器壳程流体的流动形式，从而改变其传热与流动性I华中科技大学博士学位论文能。通过计算发现，与传统的采用光管的折流杆换热器相比，采用深槽螺旋波纹管的折流杆换热器壳程流体传热与流动的效能评价系数EEC最高可达1.35，说明其具有良好的综合强化传热性能。采用深槽螺旋波纹管的自支撑式管壳式换热器壳程管束的固定与支撑并未采用额外的约束元件，使得壳程流体流动的局部阻力大大减小。与折流杆换热器相比，在相同壳程Reynolds数下，采用深槽螺