立式上行管内插螺旋对换热器管内流场及传热性能影响研究

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1、学校代码10530学号201510161740分类号TK124密级公开硕士学位论文立式上行管内插螺旋对换热器管内流场及传热性能影响研究学位申请人李昊指导教师彭德其教授学院名称机械工程学院学科专业工程硕士（动力工程领域）研究方向过程强化与节能环保二○一八年六月七日ResearchonInfluenceofFluidflowandHeatTransferPerformancesforHeattransferVerticalUpwardpipeInterpolatedHelixCandidateLihaoSupervisorProf.PengDeqiColle

2、geCollegeofmechanicalengineeringProgramMasterofengineering(Powerengineeringfield)SpecializationTechnologyofhighefficientenergysavingandenvironmentprotectionDegreeMasterUniversityXiangtanUniversityDateJune2018湘潭大学硕士学位论文摘要换热管内插螺旋技术被广泛应用工程中，虽然这项技术能提升换热管的换热系数，但增大了流动阻力。为了能够全面了解螺旋结构参数丝

3、径、中径及节距对立式上行管流场及传热影响，本文将通过螺旋往复运动分析、数值模拟、粒子图像测速（PIV）实验以及传热实验方法进行展开。本文研究内容如下：首先，分析内插件传热技术与流场可视化研究现状，提出立式上行管内插螺旋换热器管内对流场及传热性能研究问题。通过内插螺旋往复性分析螺旋结构参数与轴向波速关系，螺旋结构参数与轴向波速关系紧密；通过冷膜立式上行管内插螺旋往复实验，发现仅依靠自身流体冲击就可以做往复周期运动，所得到实验数据为数值模拟提供依据。其次，利用Fluent软件对立式上行管内插螺旋管内流场进行数值模拟，分析螺旋结构参数（e、D及p）对管内流场、

4、传热、阻力及PEC影响。研究结果表明，和光管相比，在相同Re条件下内插螺旋换热管Nu提高1.84到2.85倍；阻力系数提高5.00到10.20倍；综合传热性能最好螺旋结构参数e=1.6mm、p=20mm、D=24mm，PEC均大于1，其中最大为1.25，最小为1.04。再次，搭建PIV管内流体流动测量平台，分析螺旋结构参数对管内流场影响。实验结果表明：Re从6999到17180，实验结果与光管进行对比发现，内插螺旋管核心区域的径向速度呈M型起伏变化，光管径向速度几乎没有波动；其轴向速度提高了1.19~1.35倍；流体涡量增加，并且扰动剧烈，涡量提高了1.

5、05~1.55倍。最后，搭建传热性能测试实验平台，分析螺旋参数（e=0.8、1.2、1.6mm，D=24、27、30mm及p=10、15、20mm）对换热管传热系数影响，通过正交因素法分析得到影响K重要次序分别是p>e>D；相对于光管，当换热管Re从6999到17180最优组合是e=1.6mm、p=20mm、D=24mm；最优节距、丝径、中径相比于空管K依次提高40.5%~50.2%、35.8%~40.9%、30.3%~33.1%。综合，数值模拟、PIV实验和传热实验研究结果发现：Re从6999到17180，螺旋结构参数对PEC、流场和传热性能影响次序分

6、别是p>e>D；随着Re增加，螺旋结构参数影响次序相同，最优螺旋结构参数是p=20mm、e=1.6mm、D=24mm。关键词：内插螺旋；流动行为；数值分析；PIV；传热性能I湘潭大学硕士学位论文AbstractTheheatexchangetubeinterpolationspiraltechnologyiswidelyusedinengineering,althoughthistechnologycanincreasetheheattransfercoefficientoftheverticalupwardpipe,butincreasetheflow

7、resistance.Inordertobeabletofullyunderstandtheinfluenceoftheparametersoftheinterpolatedspiral(e、D、andp)ontheflowfieldandheattransfer.Thispaperwilldevelopthehelicalreciprocatinganalysis,Fluentnumericalsimulation,PIVexperimentandheattransferexperiment.Thecontentofthispaperisasfollo

8、ws:Firstly,itisanalyzedoftheresearchstat