螺旋通道內(nèi)對(duì)流換熱熱力性能數(shù)值模擬.pdf

1、螺旋通道作為一種高效強(qiáng)化換熱管，由于其結(jié)構(gòu)緊湊廣泛存在于各種機(jī)械裝置中的管路系統(tǒng)，熱交換器以及核動(dòng)力和其它動(dòng)力裝置系統(tǒng)中。盡管對(duì)螺旋通道內(nèi)對(duì)流換熱的問題進(jìn)行了大量的研究，但大部分都是以熱力學(xué)第一/二定律為基礎(chǔ)，針對(duì)螺旋管通道內(nèi)層流充分發(fā)展段對(duì)流換熱特性的研究。而螺旋管通道內(nèi)湍流對(duì)流換熱特性的研究和螺旋通道入口段內(nèi)對(duì)流換熱特性的研究都很少，是迫切需要解決的問題，也是對(duì)管路系統(tǒng)的性能以及機(jī)械裝置運(yùn)行安全至關(guān)重要的問題。因此本課題的研究具有重

2、要的理論意義和廣闊的應(yīng)用前景。
　　本文在總結(jié)和分析了一個(gè)世紀(jì)以來有關(guān)曲線管道內(nèi)流動(dòng)和換熱特性的研究成果的基礎(chǔ)上，對(duì)兩種典型工況下圓形截面螺旋通道內(nèi)包含入口段的三維層流對(duì)流換熱，三維湍流對(duì)流換熱以及螺旋通道內(nèi)無量綱熵產(chǎn)數(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的數(shù)值模擬。此外還對(duì)恒壁溫工況下內(nèi)環(huán)加熱外環(huán)絕熱和內(nèi)環(huán)絕熱外環(huán)加熱以及內(nèi)外環(huán)均加熱三種情況下環(huán)形截面螺旋通道內(nèi)三維層流對(duì)流換熱的熱力性能進(jìn)行了數(shù)值模擬。研究的雷諾數(shù)為200-1000(層流)和2×104-

3、6×104(湍流)，無量綱螺距為0.1-0.2，曲率范圍為0.1-0.3。詳細(xì)討論了各種無量綱參數(shù)對(duì)螺旋通道內(nèi)軸向速度分布，軸向溫度分布，管道摩擦系數(shù)，管道努謝爾特?cái)?shù)以及管道無量綱熵產(chǎn)數(shù)的影響，計(jì)算結(jié)果表明：
　?、僭谌肟诙危瘟鞯淖饔每梢院雎?，隨著轉(zhuǎn)角的增大，二次流作用加強(qiáng)。垂直于軸向截面的最大速度向管外側(cè)移動(dòng)，當(dāng)流動(dòng)為層流時(shí)，溫度分布出現(xiàn)兩個(gè)渦胞，當(dāng)流動(dòng)為湍流時(shí)，溫度分布卻沒有發(fā)現(xiàn)渦胞。
　?、谳S向截面平均摩擦系數(shù)，軸

4、向截面平均努謝爾特?cái)?shù)和螺旋通道內(nèi)無量綱總熵產(chǎn)數(shù)隨著雷諾數(shù)，曲率和螺距的變化呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律，和曲率相比，螺距對(duì)傳熱和流動(dòng)性能的影響可忽略不計(jì)。
　　③與兩種典型工況下直管內(nèi)層流流動(dòng)相比，圓形截面螺旋通道內(nèi)充分發(fā)展段軸向橫截面平均努謝爾特?cái)?shù)是直管的2.622-7.1倍(恒壁溫工況)和2.64-7.3倍(恒熱流工況)；圓形截面螺旋通道內(nèi)軸向橫截面平均摩擦系數(shù)是直管的1.5-3倍(恒壁溫工況)和1.62-3.23倍(恒熱流工況)。與兩

5、種典型工況下直管內(nèi)的湍流流動(dòng)相比，圓形截面螺旋通道內(nèi)充分發(fā)展段軸向橫截面平均努謝爾特?cái)?shù)是直管的1.35-2.2倍(恒壁溫工況)和1.7-2.7倍(恒熱流工況)；圓形截面螺旋通道內(nèi)充分發(fā)展段軸向橫截面平均摩擦系數(shù)是直管的1.4-2.25倍(恒壁溫工況)和1.57-2.52倍(恒熱流工況)。
　　④恒壁溫工況下環(huán)形截面螺旋通道內(nèi)的對(duì)流換熱熱力性能，其變化規(guī)律與圓形截面變化規(guī)律相同。但與圓形截面螺旋通道相比，Num和fm減小。外側(cè)加熱時(shí)