非均匀热流条件下螺旋管内流动与传热特性研究

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1、非均匀热流条件下螺旋管内流动与传热特性研究重庆大学硕士学位论文(学术学位)学生姓名：刘晓见指导导师：崔文智教授专业：动力工程及工程热物理学科门类：工学重庆大学动力工程学院二O一五年四月StudyonFlowandHeatTransferCharacteristicsinHelicallyCoiledTubeswithNon-uniformHeatFluxConditionAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheMaster’sDegreeofEngi

2、neeringByXiaojianLiuSupervisedbyProfessor.WenzhiCuiSpecialty:PowerEngineering&EngineeringThermophysicsCollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity,Chongqing,ChinaApril,2015重庆大学硕士学位论文中文摘要摘要螺旋管因其具有良好的传热性能、制造简单和结构紧凑等优点被广泛应用于动力、低温与制冷技术、化工、食品医药等工业行业中。同直管相比，螺旋管强化传热的机理是：由于弯曲通道内的流体受到了离心力的作用，在螺

3、旋管内的流道横截面上产生了二次回流，管内的主流与二次回流的叠加使得流体在管内沿着管道轴向螺旋运动，从而增强了换热效果。前人已经对螺旋管内单相和两相流动与传热进行了大量的研究，然而这些研究主要针对的是螺旋管外壁为均匀热边界条件下的，对管外壁施加非均匀热边界条件的螺旋管内流动和传热性能的研究则鲜有报道。本文搭建了两相流动与传热实验台，以制冷剂R22为工质对卧式螺旋管在非均匀热边界条件下的两相流动与传热特性进行了实验研究；另一方面还对非均匀热边界条件下螺旋管内单相湍流流动与传热进行了数值模拟研究。22实验方面，在热流密度q=3.88-19.4kW/m，质量流速G=182-

4、303kg/(ms)，质量干度x=0.07-0.53范围内，分别对三种热边界条件下的卧式螺旋管内流动沸腾换热特性进行了实验研究。三种热边界条件分别为：管外壁周向均匀热流条件，管外壁外侧均匀热流、内侧绝热条件和管外壁内侧均匀热流、外侧绝热条件。三种热边界条件下的螺旋管内局部流动沸腾传热系数均是随着热流密度和质量流速的增大而增大。在本文实验的干度范围内，局部沸腾传热系数随着质量干度的增大而增大。在三种热边界条件下对螺旋管外壁所施加的热量相同的基础上，将三种热边界条件下管内局部流动沸腾传热系数进行了对比，发现螺旋管外壁内侧均匀热流外侧绝热条件下管内沸腾传热系数最大，管外壁

5、均匀热流条件下次之，管外壁外侧均匀热流内侧绝热条件下最小。数值模拟计算方面，建立了三种不同几何结构的螺旋管模型，以单相水为工质，通过改变进口雷诺数和热边界条件对螺旋管内单相湍流流动与传热特性进行了模拟计算，得到了不同热边界条件对管内流体温度分布、速度分布和管内二次流的影响，且三种不同热边界条件下管内单相湍流流动传热系数的大小规律为：内侧均匀热流外侧绝热最大，均匀热流条件下次之，外侧均匀热流内侧绝热时最小。总之，本文对非均匀热边界条件下螺旋管内单相和两相流动与传热进行了探索研究，为螺旋管在非均匀热边界下的应用提供了设计依据和基础数据。关键词：卧式螺旋管，流动沸腾，两相

6、流动与传热，单相湍流流动，数值模拟I重庆大学硕士学位论文英文摘要ABSTRACTHelicalpipesarewidelyusedinavarietyofpracticalapplications,suchasinpower,refrigerationandcryogenics,chemicalindustry,foodandmedicine,duetotheirhighefficiencyinheattransfer,simplemaking,andcompactnessinvolume.Comparedwithstraighttube,itiswellknown

7、thatthesecondaryflowinthecrosssectionofthehelicallycoiledtube,duetocentrifugalforceandtorsionforce,isasignificantfactoraffectingtheflowandheattransfer.Todate,manyoftheresearchactivitieshavebeenconductedonboththesingle-phaseandthetwo-phaseflowandheattransfercharacteristicsinthehelical