【摘要】：強化換熱器的性能可以有效提高能量轉換裝置的能量利用效率,減小換熱器尺寸,提高設備的緊湊性。現(xiàn)階段穩(wěn)態(tài)單向流動下的強化換熱技術發(fā)展已經(jīng)非常成熟,但斯特林發(fā)動機和制冷機等多種能量轉換裝置內的工質處于往復交變流動狀態(tài),工質流動方向呈周期性變化,流體速度、壓力、溫度、密度等參數(shù)時刻變化,因此,基于穩(wěn)態(tài)單向流動的強化換熱結論不能直接應用于往復交變流動狀態(tài)下的換熱器設計。目前,關于往復交變流動狀態(tài)下的強化換熱研究還十分缺乏。本文通過三維數(shù)值模擬方法,建立了往復交變流動的物理和數(shù)學模型,通過邊界條件的弦函數(shù)設置實現(xiàn)了流體速度和壓力的時刻變化,并實現(xiàn)了工質流動方向的周期性逆轉。將往復交變流動一個周期內每間隔30°相位角選取一個瞬態(tài)點,對12個瞬態(tài)點進行穩(wěn)態(tài)單向流動數(shù)值模擬計算,比較瞬態(tài)模擬(基于往復交變流動)和穩(wěn)態(tài)模擬(基于穩(wěn)態(tài)單向流動)兩種方法在換熱與流動過程中的差異。研究發(fā)現(xiàn)瞬態(tài)模擬計算的某時刻的換熱情況受此前一段時間內工質的流動與換熱狀態(tài)影響較大,工質的加速與減速運動對換熱也有一定程度影響。相對于穩(wěn)態(tài)模擬,瞬態(tài)模擬計算的加熱管換熱性能稍弱,壓力消耗較大,平均速度相似,但速度空間分布差異較大。由于加熱管進出口壓差變化引起管內工質流速變化,進而引起管壁與工質的換熱變化,因此,對于瞬態(tài)模擬,壓差、速度、換熱的變化分別早于、基本等于、晚于穩(wěn)態(tài)模擬計算結果。研究了二頭螺旋波紋管在往復交變流動狀態(tài)下的強化換熱性能,發(fā)現(xiàn)二頭螺旋波紋管內的流體在螺旋流道的引導下產(chǎn)生了縱向旋流渦,增強了邊界區(qū)域與核心區(qū)域流體的混合程度,換熱效果顯著提高。二頭螺旋波紋管的吸熱量明顯高于光管,在本文研究的幾何參數(shù)及工況下,兩者平均相差561W,比值為1.36。強化管的流體出口溫度比光管可提升160K,壓力消耗比光管多430Pa,這相對于加熱管內整體1.5?2.5MPa的壓力而言,強化管的額外壓耗代價很小,但是卻獲得了加熱管出口較大的溫升收益。提出周期內瞬態(tài)PEC取平均值和周期內參數(shù)平均值計算PEC兩種方法評價了二頭螺紋波紋管相對于光管的綜合強化換熱能力,計算結果分別為1.69和1.38。因此,二頭螺旋波紋管在往復交變流動狀態(tài)下具有很好的強化換熱能力。工質受熱膨脹是斯特林發(fā)動機內工質往復交變流動的驅動力之一,因此,加熱器的性能對斯特林發(fā)動機至關重要。針對異型強化換熱管加工困難、對高溫高壓的耐性減弱等問題,提出在斯特林發(fā)動機加熱管內插入螺旋彈簧擾流元件的方法來提高其吸熱性能。研究發(fā)現(xiàn),內插螺旋彈簧強化加熱管內存在縱向旋渦,旋渦的大小、數(shù)量以及空間分布隨時間和空間位置不斷變化。在本文研究的幾何參數(shù)及工況范圍內,Nu數(shù)、f和PEC值隨著螺旋插入物高度h的增加和螺距p的減小而升高。與p相比,h對加熱管內工質的流動與換熱特性影響更加顯著。相對于光管,內插螺旋彈簧強化加熱管(p=24mm、h=1.8mm)在采用氫氣、氦氣、氮氣和二氧化碳為工質時,PEC值分別為1.33、1.22、1.21和1.25;流體出口溫度在進程階段分別提高了68、64、57和63K,在回程階段分別提高了32、34、40和51K;周期平均壓力消耗分別增加了446、1256、7079和13320Pa。綜合考慮安全性與強化換熱的收益與代價,推薦采用氦氣作為強化管的工質氣體。工質受冷壓縮是引起斯特林發(fā)動機內工質往復交變流動的另一驅動力。通過在斯特林發(fā)動機冷卻管內插入變截距或等截距螺旋線圈的方法來增強其散熱能力。研究表明,在本文研究的幾何參數(shù)及工況范圍內,螺旋線圈的螺距越小,冷卻管出口流體平均溫度越低;光管管徑越小、管長越長,冷卻管出口流體平均溫度越低;在平均截距一定的情況下,變截距與等截距螺旋線圈對降低加熱管出口流體溫度的效果相差很小。在不同流動階段,強化管的進出口流體平均溫降是等尺寸光管的1.081?1.54倍。由于冷卻管內插入螺旋線圈引起的額外的壓力消耗不高于3956Pa。除了通過冷卻管工質出口溫度的降低幅度以外,另從冷卻管尺寸減小的程度評價了強化冷卻管的換熱增強能力。為了達到與強化管相同的出口流體溫度,在本文研究的工況下,當強化管內螺旋線圈的螺距為12.5mm時,在相同管徑(5mm)下,光管所需的管長要比強化管增加一倍以上。在相同管長(180mm)下,光管所需的管徑要比強化管縮小接近一半,導致光管數(shù)量需增加至強化管的3.7倍。因此內插螺旋線圈強化冷卻管可以有效節(jié)約冷卻管耗材,減小成本,提高斯特林發(fā)動機的緊湊性。
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TK172
【圖文】：

1 緒論1.1 課題研究背景與意義改革開放 40 年以來，中國取得了令世界矚目的成就，自 2011 年已經(jīng)成為世界第二大經(jīng)濟體。但是，伴隨著經(jīng)濟的快速增長，能源與環(huán)境問題日益突出，嚴重制約了中國的可持續(xù)發(fā)展。根據(jù)《中國統(tǒng)計年鑒 2018》，自 1978 年以來，中國的能源消耗總量逐年上升，尤其是近 20 年，上升速度飛快[1]。自 2009 年以來，中國已經(jīng)成為世界上最大的能源消費國[2]。到 2017 年中國能源消耗總量達到 449000 萬噸標準煤，其中煤炭、石油和天然氣分別占 60.4%，18.8%和 7%[1]，如圖 1-1 所示。由于 富煤缺油少氣‖的特點，中國已成為世界上最大的石油進口國和第二大天然氣進口國。在可預見的未來，中國對能源的需求還會進一步增加。

華 中 科 技 大 學 博 士 學 位 論 文億噸，占世界 CO2排放總量的 27.6%[4]，如圖 1-2 所示。國際能源署的調查數(shù)據(jù)顯示，2017 年全球化石燃料燃燒產(chǎn)生的 CO2年排放量中約三分之一來自中國。為減緩碳排放增長，中國提出在 2030 年單位國內生產(chǎn)總值（GDP）CO2排放比 2005 年減少60 65%[3]�；剂系倪^度消耗除了造成 CO2的大量排放，導致全球變暖以外，還會引發(fā)霧霾、酸雨、重金屬污染等一系列環(huán)境問題。

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本文編號：2730417