摘 要

如今我们地球的能使用的资源越来越少，因此，需要我们在使用资源的基础上提高使用的效率、发展更加节能的技术。换热器就是一种在我们生活中普遍使用的一种节能工具。在换热器当中，主要的换热部件就是波节管。故本次试验将分析波节管的换热机理，并将给出最佳换热性能的尺寸。所做的工作有如下几个方面：

⑴在流动性能方面，将波节管与圆管进行对比分析，建立各自的温度云图、速度云图、压力云图、速度流线与矢量云图，分析各自的差别，从而得出波节管对于普通圆管的强化优势。分析表明在波节管的充分发展段速度等值线呈周期性的分布，且波节靠近壁面处出现速度为零的流动区域（流动死区）。相对于圆管，波节管能更好的发挥流动换热，但也会增加流动阻力。

⑵换热性能方面，对波节管和圆管的温度云图进行对比分析，分析管子的传热性能与雷诺数Nu数的关系。分析表明，Nu数在管内呈周期性分布，并且随着速度的增大而增大。最佳效益换热性能的Re数的范围为3184.696369.37。

⑶分析几何结构尺寸直管段长S、波节长P、波深D、圆弧段长对波节管流动换热的影响，并结合无量纲因子来分析几何结构尺寸。分析表明，对流动换热有影响的是波节长P、波深D。值为0.25有最好的换热效果。

关键词：波节管；换热机理；fluent有限元分析；流动换热

Abstract

In the face of increasingly depleted resources, we need to develop new energy sources, study new energy technologies, and increase energy utilization. The heat exchanger is one of the main equipment to improve the energy utilization rate, and it is widely involved in many fields of life such as petroleum and chemical industry. The bellows tube is a kind of enhanced heat transfer tube that has attracted much attention in recent years. The enhanced heat transfer element of the bellows heat exchanger is a bellows tube, and the shape of its flow channel is the key to enhanced heat transfer. Therefore, this experiment will analyze the heat transfer mechanism of the tube, and will give the size of the best heat transfer performance. The work done has the following aspects:

(1) In terms of flow performance, compare and analyze the bellows tube and the round tube, establish their respective temperature cloud diagram, velocity cloud diagram, pressure cloud diagram, velocity streamline and vector cloud diagram, and analyze their differences, so as to obtain the ordinary tube Strengthening advantages of the tube. The analysis shows that the velocity contours in the fully developed section of the node tube are periodically distributed, and a flow region (flow dead zone) with zero velocity appears near the wall surface of the node. The friction coefficient of the ribbed tube is much larger than that of the ordinary round tube. The ribbed tube will increase the flow resistance while improving the heat transfer performance.

(2) In terms of heat transfer performance, comparative analysis of the temperature cloud diagram of the tube and the round tube is carried out to analyze the relationship between the heat transfer performance of the tube and the Reynolds number Nu number. The analysis shows that the temperature contour on the center section of the temperature field of the tube is parabolic along the flow direction. Nu number is periodically distributed in the tube and increases with the increase of speed. The range of Re number for the best benefit heat transfer performance is 3184.696369.37.

(3) Establish three model distributions of A, B and C to study the effect of wave depth D, arc length , straight pipe length S, and node length P on heat transfer performance, and analyze the geometric structure size in conjunction with the dimensionless factor The analysis shows that wave depth D and node length P are important factors for heat transfer enhancement of the tube, and the optimal heat transfer performance value is 0.25.

Keywords: corrugated tube, heat transfer mechanism, fluent finite element analysis, flow heat transfer

目 录

第一章 绪论 1

1.1 课题研究的背景和意义 1

1.2 换热器的强化传热技术与应用 2

1.3 波节管换热器国内外的研究现状分析 2

1.3.1国内研究现状 3

1.3.2国外研究现状 4

1.4研究的基本内容与目标 6

1.5 研究的技术方案及措施 7

第二章 波节管换热器的数值仿真模拟 7

2.1 CFD简介 7

2.2 FLUENT流体计算软件的介绍 8

2.3波节管管程流体湍流模型的选择和正确性验证 9

2.3.1 Fluent湍流模型的简介 9

2.3.2 壁面函数Enhanced wall Treatment和 11

2.3.3 波节管管程流体湍流模型的选择 12

第三章 波节管的数值仿真模拟 17

3.1模型的建立以及网格划分 17

3.1.1 构建几何模型参数 17

3.1.2 问题的假设与简化 18

3.1.3 几何建模 18

3.1.4 网格划分与网格无关性验证 20

3.2 Fluent边界条件和求解设置 22

3.2.1边界条件设置 22

3.2.2 求解参数的设置 23

3.3 计算的结果与分析 23

3.3.1 波节管与圆管的流动特性对比分析 24

3.3.2 波节管的波深D与波节漩涡的大小分析 35

3.3.3 圆管压降的仿真模拟验证 37

3.3.4管内摩擦系数f与速度u关系 39

3.3.5 波节管与圆管传热特性的分析 40

3.3.6 波深D、Re数、漩涡对流动换热性能的影响 45

3.3.7 关于波节管管壁Nu数的分析 46

3.3.8 圆管平均Nu数的仿真验证 47

3.3.9 雷洛数Re与波节管的平均努塞尔数Nu的关系 49

3.4.1 研究波深D对换热的影响 50

3.4.2 探究圆弧段长、直管段长S、波节长P对换热性能的影响 53

3.4.3波节管的综合分析与建立无量纲因子 60

3.4.4综合性能的分析 63

第四章 结论与展望 66

4.1 本文的结论 66

4.2 前景展望 68

致谢 69

参考文献 70

第一章 绪论

1.1 课题研究的背景和意义

在如今的世界，资源对于每一个国家和人民都及其重要。尤其对于如今世界经济的快速发展，世界的人口剧增，对能源的需求急剧提升，导致各个国家对能源的掠夺愈加激烈[1]。因此，随着资源枯竭，我们需要去更快发掘新能源，提高科技实力，降低能源消耗。

换热器就是一种在我们生活中普遍使用的一种节能工具。在换热器当中，主要的换热部件就是波节管。而管壳式换热器是我们生活中广泛使用的换热器，换热效果好、使用方便[2]。然而，社会在飞快向前发展，对换热效率的需求更加旺盛。因此，常规的管壳式换热器不能满足这些要求，当今的现代工业必须研究更小，更轻，更高效的换热工具[3]。

在本文中，使用数值模拟软件Fluent对圆形管和波节管进行数值模拟，对波节管流动换热原理进行分析、了解。改变波节管的几何尺寸，分别研究其对流动换热的影响。在有最好换热效果下，得出波节管的最适宜的几何模型。