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摘 要

近几年来，随着我国经济的快速发展，能源紧张的问题越来越突出，波纹管换热器作为一种高效的管壳式换热器越来越受到人们的关注，波纹管换热器具有传热效率高、不易结垢和热补偿性好等优点。

本课题是通过建立模型分析数据数值模拟的方法，研究波纹管的流动与传热特性，然后通过得出的结论和计算结果设计出换热器。

本课题分为五个章节，引言里讲述了波纹管换热器的定义、结构、国内外的研究现状。紧着着本文对波纹管进行了详细的介绍，对整个结构有了全面的了解。其次，文中采用GAMBIT软件Fluent对影响波纹管内流动与传热特性的因素进行数值模拟。通过模拟得到了下列几个重要结论：

1. 摩擦系数随着雷诺数的增加而减小。
2. 在三个波纹间距p=12.5mm的管子中的动力粗糙度要比三个波纹间距p=10mm的大。
3. 和其他管子相比，管01和管05的几何参数具有优势，在本课题中，在高的雷诺数区域换热强化换热。
4. 在波纹管中的近壁面区域的努塞尔数要比光管的大，最大值在波面的顶部附近。
5. 在两个波之间的区域有一个涡流产生，被称为“第二流动区”，它是波纹管强化传热的根本原因。
6. 在相同的波纹几何参数的条件下，波纹间距对传热特性影响较小
7. 努塞尔数大的和摩擦系数低的波纹管有更好的综合性能。

关键词：波纹管 换热器 数值模拟

Numerical simulation of the arc-shaped wave flow and heat transfer within the bellows under turbulent conditions

Abstract

In recent years,with the rapid development of China’s economy,the energy shortage problem has become increasingly prominent,corrugated tube heat exchanger as an efficient shell and tube heat exchangers has attracted more and more people’s attention,corrugated tube heat exchanger has a high heat transfer efficiency ,easy to scale and good hermal compensatory.

This paper consists of five parts:Introduction describes the definition of corrugated tube,the structure and the research status of home and abroad.The article introduce the corrugated tube and know the entire structure of it,This paper uses GAMBIT and Fluent software carry on numerical simulation for the factors affecting bellows flow and heat transfer characteristics.Obtained the following several important conclusions by the simulation:

1. Friction factor decrease with Reynolds number.
2. The momentum roughness functions in three corrugated tubes with p=12.5mm are bigger than those in tubes with p=10mm.
3. The geometry parameters of tube no.01 and no.05 present advantages, comparing with other tubes, on heat transfer enhancement in high Reynolds number flow region in present investigation.
4. The wall Nusselt numbers in most of the near-wall region in corrugated tubes are bigger than those in smooth tube, and it presents maximum value near the top of the wave surface.
5. There is a vortex occurs in the region between adjacent two waves, it is called second flow region, which is the root cause that result in the heat transfer enhancement in corrugated tubes.
6. There is a little effect on the heat transfer characteristics under the same wave geometric parameter condition.
7. Bigger Nusselt number and lower friction factor cause better integrated performance of corrugated tubed.

Keywords：Bellows Heat Exchanger Numerical simulation

目录

摘要 III

Abstract IV

符号表 VIII

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2.强化传热技术 1

1.2.1 主要强化技术 1

1.2.2波纹管强化传热机理 1

1.2.3强化传热的研究 2

1.3.研究强化传热的方法 2

1.4.总结 4

第2章 波纹管的模型 5

2.1. 波纹管的几何模型 5

2.2 波纹管的物理模型 6

2.2.1 波纹管 6

2.2.2 动力来源 风机 7

2.2.3 物理模型 7

2.3 数值模型 7

2.3.1 GAMBIT和Fluent的介绍 7

　2.3.2 控制方程 8

2.4 模型说明 9

2.5 边界条件 10

2.6 建立模型与设置数值参数 11

2.7 网格质量检查 11

2.8网格划分图 12

2.9 小结 13

第3章 数据整理与分析 14

3.1 数据简化 14

3.3结果和讨论 16

3.3.1 压降 16

3.3.2 波纹管中波纹间距对压降的影响 18

3.3.3 圆弧波纹半径r对压降的影响 20

3.3.4 波纹管的直径d对压降的影响 21

3.3.5 传热 23

3.3.6 波纹管的波纹间距对传热的影响 26

3.3.7波纹管的波纹半径r对传热的影响 28

3.3.8波纹管的管道直径d对传热的影响 29

3.4数据云图分析 30

3.4.1 光管的云图分析 30

3.4.2 波纹管的云图分析 31

3.4.3 2种不同参数的波纹管的比较 33

3.5小结 35

第4章 换热器设计 36

第5章 结果与展望 46

5.1结果 46

5.2 展望 46

参考文献 48

附表 50

符号表

命名

换热面积 （） 无量纲组

空气的比热 范宁摩擦系数

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