论文总字数：15930字

摘 要

扭曲管作为一种相比于传统光滑管的高性能换管，具有低能耗、成本低等优点，为了进一步提高扭曲椭圆管的换热性能，本文提出了一种新型的偏心扭曲椭圆管换热管，在此基础上，通过数值模拟的方法对其传热与压降特性进行研究。分析其几何参数对偏心扭曲椭圆管的换热与压降性能的影响规律，并揭示管内的流动状态与强化传热机理。主要内容及结论如下：

1. 通过SolidWork软件建立偏心扭曲椭圆管物理模型，通过ANSYS ICEM CFD软件对其划分网格，然后通过Fluent模拟计算，得到了管内壁面的努塞尔数和摩擦系数。
2. 首先通过对比前人扭曲椭圆管实验数据进行验证，确定本文数值方法的正确性。然后分析不同几何参数（长短轴比、扭距与偏心距）与偏心扭曲椭圆管传热与压降性能的关系。
3. 分析偏心扭曲椭圆管内速度场以及温度场分布，揭示偏心扭曲椭圆管管内强化传热机理。

关键词：偏心扭曲椭圆管；传热性能；压降特性；强化传热

Numerical study of Heat Transfer and Pressure Drop Characteristics in Eccentrically Twisted Oval Tubes

Abstract

Compared with the traditional optical tube, the twisted tube has the advantages of low energy consumption and low cost. In order to further improve the heat transfer performance of the twisted elliptical tube, this paper proposes a new eccentric twisted elliptical tube structure, and studies its heat transfer and pressure drop characteristics by numerical simulation. The main contents and conclusions are as follows:

1. The physical model of eccentrically twisted elliptical tube is established by SOLIDWORK software. The mesh is divided by ANSYS ICEM CFD software, and then the Nusselt number and friction coefficient distribution of local section in the tube are obtained by fluent simulation.

2. First of all, the correctness of the numerical method is verified by comparing with the previous experimental data. Then, the effects of different geometric parameters (ratio of long and short axis, torque and eccentricity) on the heat transfer and pressure drop performance of eccentrically twisted elliptic tubes are analyzed.

3. The distribution of velocity field and temperature field in eccentrically twisted elliptical tube is analyzed, and the mechanism of heat transfer enhancement in eccentrically twisted elliptical tube is revealed.

Key words: eccentric twisted elliptical tube; heat transfer performance; pressure drop performance; enhanced heat transfer

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 课题研究背景 1

1.2 强化传热技术原理 1

1.3 强化传热技术的研究进展 2

1.3.1 换热器的研究进展 2

1.3.2 偏心扭曲椭圆管换热器强化传热的研究进展 2

1.4 本文研究内容 4

1.4.1 课题主要研究内容 4

1.4.2 研究手段 4

第二章 数值方法 5

2.1 物理模型和几何参数 5

2.2 ICEM CFD网格划分 6

2.3 Fluent传热模拟 7

2.4 数学模型 8

2.5 数值方法可靠性验证 9

第三章 几何结构对传热与压降特性的影响 12

3.1 长短轴比b/a对压降与传热特性的影响 12

3.2 扭距P对压降与传热特性的影响 14

3.3 偏心距O对压降与传热特性的影响 17

第四章 偏心扭曲椭圆管管内机理分析 19

4.1 管内流线与速度分布 19

4.2 管内横截面温度分布分析 21

第五章 研究成果总结 23

第六章 经济性分析 24

第七章 研究展望 25

参考文献 26

致谢 28

第一章 绪论

1.1 课题研究背景

第一次工业革命发生在十八世纪六十年代，蒸汽动力机出现，以及后面电力的利用，无疑，能源的重视程度达到了前所未有的程度。再加上石油等能源危机的加剧，环境生态的恶化，人们开始专注于清洁能源的开发和能源利用效率的提升。而换热器作为工业中不可或缺的万千齿轮之一，作为热量传递的关键组件，其性能、能耗等都是有关大量余热利用的重要特点。所以，从节省能源和减少能耗的角度来看，强化型换热器自然而然的成为了全球科学家的研究重点，并成为高效利用能源的重要方式之一^[1]。

为了使传统换热器拥有更好的传热性能，更低的成本和能耗，必须对其传统结构进行优化设计，再用一系列研究手段进行优化，保证其合理性，经济性，实用性。对传统换热器的研究主要集中：研发新型换热器，或是利用强化传热技术对传统换热器实行改良^[2,3]。对其运用强化传热对能耗的降低起很大的作用，对能源利用效率也有很大的意义。已经在现代工业中运用广泛的扭曲管换热器对能源高效利用，经济成本节省起到了巨大的作用。故而，强化传热技术的研究成为了重中之重，有着重大的科学和能源价值。

1.2 强化传热技术原理

强化传热技术就是指采用强化传热元件来进行传热结构的改进的节能新技术。换而言之，就是在传统换热器光滑管中插入物或扭曲来产生本不能在其中产生的流体流动二次流，因此，传热效果增强。在传统光滑圆管中插入传热元件如螺旋槽纹管，波纹管，横纹管等改变几何结构的方式中，属以圆管为基滚轧成形的横纹管、螺旋槽纹管、交变椭圆管等结构元件具有加工便利，成本低的特点，自然就成为了强化传热技术中的研究热点。相对于光滑圆管，偏心扭曲椭圆管中由于扭曲椭圆管道能产生旋转的复杂流动流体，螺旋流增强了流体的离心力，从而周期性地改变流动方向和速度，强化了纵向流动。在螺旋线之后，流体形成尾迹并与管壁分离。强化湍流破坏了管壁上流体的传热边界层，强化了传热效果。

1.3 强化传热技术的研究进展

1.3.1 换热器的研究进展

横纹管是早期发明的一种性能较好的换热管件，具有工艺要求低，低成本的特点，横纹管的实现强化传热的途径是利用管壁上的横向沟槽，这样的情况下，流体在通过时，会在管壁上产生旋转，从而生成漩涡，因为圆环的连续性，流体就能在漩涡消失时，经过下一个圆环，重新产生漩涡，加强对流体的扰动，从而增强流体与边界层的热量传递。螺旋槽管的实现强化传热的途径是利用对外表面的加工形成凹槽，这样流体在管内流动的时候，顺着螺纹流动，在经过凹槽和凸肋时，会产生扰动，再加上螺纹规律性的设计，从而产生周期性扰动，来实现强化传热。对于新型换热器的研究，首先研究的就是几何结构对换热器压降与传热性能的影响，M. Goto^[4]以R410A为冷凝介质，进行试验，对横纹管换热器结构进行优化设计，得出更为合理的内肋管选择。A. Barba^[5]研究了波纹管入口区与温度相关的流体对流换热以空气为管内换热介质，分析了横纹管几何参数与传热和压降之间的关系，实验结果表明随着雷诺数的增加，努塞尔数呈线性增长的趋势，S. Rainieri^[6]通过氢气泡示踪试验对横纹管内流体的流动状态进行了分析，研究波纹管的传热强化技术，发现横纹管内的流体不存在螺旋流，而在两肋之间靠近壁面处有断裂现象，其后，Gao^[7]等人研究了螺旋槽管内层流和过渡流混合对流的压降，波纹管内和螺旋槽管内层流和过渡流的混合对流换热并对其进行了数值模拟。在强化传热技术的数值分析与验证上，W. Q. Tao^[8]等人对强化对流换热的场协同原理进行推广与数值验证，San^[9]等人在此基础上用验证后的场协同原理对单相对流换热进行统一分析,从场协同原理的角度以数值模拟分析了横纹管内流体层流底层的流动情况，并分析了横纹尺寸轴向的速度场和温度场的影响。随后，孟继安^[10]以场协同原理为理论基础，开发研究了交变椭圆形截面换热管,它通过过渡段和椭圆直段产生二次流和涡流，所以强化传热的主要效果由二次流与涡流产生。随后，Chen^[11]等人采用数值模拟的方法对椭圆管的传热与压降特性进行了分析。

1.3.2 偏心扭曲椭圆管换热器强化传热的研究进展

扭曲椭圆管作为该类型换热器的换热器元件，主要加工形式为冷加工，横截面为椭圆型。分析方法包括基于管内静叶流动形成过程的换热管几何结构对流动过程的影响分析，以及基于坐标摄动^[12]、参数摄动^[13]等方法求解管内层流控制方程在数值计算的基础上，研究了换热管的温度场和速度场分布。马芳芳^[14]等分析了扭曲椭圆管的强化传热场。王文昊^[15]和王宏斌^[16]在其基础上利用数值模拟方法分别对扭曲椭圆管的压降特性和流阻性能进行研究，朱冬生^[17]等人利用实验测试得到比较详尽的有关管内外传热性能的数据,为验证数值方法提供了数值基础。高学农^[18]和Wen-Lih Chen^[19]等人对计算关系式中不准确的摩擦系数进行了拟合矫正。在对几何参数与扭曲椭圆管的压降与传热性能的研究中，大多数学者对几何参数的选取大多数在椭圆管的长短轴比和扭距，扭曲椭圆管通常以垂直于椭圆面的轴线扭曲，因此如果此轴偏离一定距离，将很大程度影响扭曲椭圆管的扭曲程度，但是关于偏心距对扭曲椭圆管的压降与传热性能的关系的研究却少之又少。

1.4 本文研究内容

1.4.1 课题主要研究内容

1. 提出新型的偏心扭曲椭圆换热管；
2. 探索偏心扭曲换热管的几何参数对换热与压降性能的影响规律；
3. 通过分析偏心扭曲椭圆管管内的流场结构，揭示其强化传热机理。

1.4.2 研究手段

1. 根据实验设计方案要求，选定所需模拟软件工具。
2. 采用SolidWork软件设计生成几何模型。
3. 使用ICEM CFD对建立的模型进行非结构网格划分后在Fluent中进行数值模拟。
4. 在Fluent软件中导入网格后，设定边界条件，监测所需数据，按相关公式计算处理所监测数据，发现结构参数对换热与压降性能的影响。

第二章 数值方法

2.1 物理模型和几何参数

新型偏心扭曲椭圆管和扭曲椭圆管相比较，不同的地方在于其扭曲的参考方向。扭曲椭圆管在与椭圆面垂直且经过圆心的直线方向扭曲一定周期，而以这条直线沿椭圆长轴方向平移一段距离的直线扭曲一定周期的椭圆管就是偏心扭曲椭圆管，这段距离的长度也就是偏心距L。所以，要得到偏心扭曲椭圆管管内的强化传热机理必须要对不同偏心扭曲椭圆管管内流体流动的传热特性进行对比分析。本文选取了几组不同几何参数的换热管进行数值计算，改变椭圆管的扭距P，长短径b/a和偏心距L来建立模型，如图2-1所示。

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