【摘要】：針對(duì)工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的換熱器強(qiáng)化傳熱及減阻等問(wèn)題,在吉林省科技廳重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目“擾流葉片仿生超疏水/超疏油、減阻多功能耦合設(shè)計(jì)與制備關(guān)鍵技術(shù)”的資助下,本文選用傳熱效率最高、體積最小的板翅換熱器中的鋸齒型板翅換熱器作為研究對(duì)象,研究其換熱過(guò)程的流動(dòng)機(jī)理與換熱性能的提升方法。本文利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)數(shù)值模擬方法,對(duì)換熱器內(nèi)部熱量交換過(guò)程中的復(fù)雜熱流場(chǎng)進(jìn)行尺度解析計(jì)算。然后,分析了熱量傳遞的機(jī)理。融入仿生設(shè)計(jì),利用生物優(yōu)異的傳熱結(jié)構(gòu),對(duì)換熱器翅片進(jìn)行改進(jìn),為提升換熱器的性能研究提供了一個(gè)新的解決方法。全文主要工作包括:1.尺度解析模擬計(jì)算方法研究本文從尺度解析模擬方法中選取DDES,SBES,DLES三種方法進(jìn)行對(duì)比分析。為減少選擇模型的工作量,利用經(jīng)典的后臺(tái)階流動(dòng)算例對(duì)尺度解析方法進(jìn)行評(píng)估,在計(jì)算時(shí)間和流動(dòng)結(jié)構(gòu)解析等方面對(duì)比DLES、DDES、SBES三個(gè)模型間的優(yōu)缺點(diǎn)。在壁面摩擦系數(shù)圖中,SBES模型比DDES、DLES模型曲線趨勢(shì)更符合實(shí)驗(yàn)值曲線;在速度分布圖和粒子軌跡圖中,可以看出SBES和DLES模型對(duì)臺(tái)階后的回流區(qū)刻畫(huà)地更完全;在湍動(dòng)能圖中,SBES和DLES模型比DDES模型描繪地更細(xì)致;在展現(xiàn)流場(chǎng)渦結(jié)構(gòu)方面,SBES模型比其他兩種模型展示的渦更清晰有序、不散亂。用SBES模型可以在所耗費(fèi)計(jì)算時(shí)間最短的情況下,更好更準(zhǔn)確的描述出后臺(tái)階流場(chǎng)內(nèi)各物理場(chǎng)的性質(zhì),因此應(yīng)用SBES湍流模型對(duì)換熱器熱流場(chǎng)進(jìn)行尺度解析計(jì)算。2.水蒸汽-空氣介質(zhì)的鋸齒型板翅換熱器數(shù)值模擬選擇換熱介質(zhì)為水蒸汽-空氣、型號(hào)為1/8-13.95的鋸齒型板翅換熱器進(jìn)行換熱過(guò)程的數(shù)值模擬。在CFD軟件中,首先選用與試驗(yàn)中相同的SST k-?模型,選用PISO算法、二階迎風(fēng)空間離散格式、不可壓縮流體、無(wú)滑移壁面等邊界條件,并且計(jì)算域生成了高質(zhì)量的六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,將模擬得到的換熱器換熱性能參數(shù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較,發(fā)現(xiàn)換熱因子j的誤差為5.10%,摩擦因子f的誤差為7.34%,證明可以采用數(shù)值模擬方法對(duì)換熱器仿真計(jì)算,其計(jì)算結(jié)果對(duì)于模型的性能分析是有效且可靠的。選用SBES湍流模型,采用同樣的網(wǎng)格和物理?xiàng)l件,對(duì)換熱器進(jìn)行尺度解析模擬,得到的換熱器換熱性能參數(shù)與試驗(yàn)值對(duì)比,發(fā)現(xiàn)雷諾數(shù)Re=800時(shí)SBES模型的換熱因子j與試驗(yàn)值間的偏差為6.2970%,摩擦因子f與試驗(yàn)值間的偏差為1.3196%。且從換熱過(guò)程中流體流動(dòng)結(jié)構(gòu)圖來(lái)看,SBES模型能更加詳細(xì)地描繪流場(chǎng)結(jié)果,表明尺度解析SBES模型比SST k-?模型在計(jì)算換熱時(shí)效果更好。3.油水介質(zhì)的鋸齒型板翅換熱器SBES數(shù)值模擬為了拓寬鋸齒型板翅換熱器的應(yīng)用范圍,本文將換熱器的工作介質(zhì)變成125℃的8號(hào)液力傳動(dòng)油和60℃的水,計(jì)算時(shí)流場(chǎng)湍流模型變成SBES模型,采用相同的434萬(wàn)六面體網(wǎng)格,相同的邊界條件進(jìn)行模擬仿真,分析換熱器進(jìn)行換熱工作時(shí)的內(nèi)流場(chǎng)情況。當(dāng)雷諾數(shù)Re=1000時(shí),中間切面z=0.015m處的平均速度為3.8149m/s,平均湍流動(dòng)能為0.2952m2/s2,換熱器熱流道出口的平均溫度為114.15℃。4.基于鯊鰓仿生結(jié)構(gòu)的鋸齒型板翅換熱器強(qiáng)化傳熱研究利用仿生學(xué)的思想,采用鯊魚(yú)鰓裂結(jié)構(gòu)的外形,通過(guò)改進(jìn)模型的幾何結(jié)構(gòu)來(lái)改善鋸齒型板翅換熱器在換熱過(guò)程中的性能,經(jīng)過(guò)再次建立仿生模型并對(duì)其數(shù)值模擬計(jì)算,將優(yōu)化后結(jié)果數(shù)據(jù)與相應(yīng)的原模型CFD計(jì)算數(shù)據(jù)比較,對(duì)于不同雷諾數(shù)下,即流體入口速度不同的情況下,分別分析對(duì)比。經(jīng)計(jì)算開(kāi)口大小為1.06mm,開(kāi)口角度為25°的模型在Re=1000,z=0.015m切面處的平均速度為3.8521m/s,提升了9.75%;平均湍動(dòng)能為0.3411 m2/s2,增大了15.55%;換熱器熱流道出口的平均溫度為113.53℃,下降了0.62℃,證明優(yōu)化模型的開(kāi)口結(jié)構(gòu)能增強(qiáng)湍流程度,提升換熱器的傳熱性能。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TK172
【圖文】：

第 2 章 尺度解析模擬方法湍流概述流是一種的常見(jiàn)流動(dòng)狀態(tài)，工程上很多實(shí)際問(wèn)題中都有湍流的存在。簡(jiǎn)單用平板上流體流動(dòng)演示，如圖所示來(lái)流速度均勻的流體最開(kāi)始接觸到平板，形成一段距離的層流邊界層，層流區(qū)域流體的流動(dòng)特性比較容易預(yù)測(cè)。一段距離的流動(dòng)，流體由于受到慣性力和粘性力共同的作用出現(xiàn)波動(dòng)，波的地方形成渦旋。渦旋相互作用，破碎后則動(dòng)能逐漸轉(zhuǎn)化成流體內(nèi)能，渦逐漸消散。但同時(shí)，流體在邊界層、慣性力和粘性力共同作用下不斷振蕩，也不斷生成，如此流動(dòng)開(kāi)始轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鬟\(yùn)動(dòng)，并最終完全轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鱗55~58]。下圖 2.1。

圖 2.3 湍流模型對(duì)比圖雷諾平均和大渦模擬方法應(yīng)用的范圍都很廣，但是其最終得到的數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)際湍流流動(dòng)仍有些出入，它們都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)一些問(wèn)題并不具有普適性。RANS 方法區(qū)域只包含很薄的剪切層，而且由于對(duì)模型進(jìn)行了時(shí)均化處理，某些信息已經(jīng)被抹掉，所以并不能準(zhǔn)確描述湍流流場(chǎng)的瞬態(tài)信息，無(wú)法充分模擬出流場(chǎng)各向應(yīng)力分布、渦旋瞬時(shí)信息以及渦結(jié)構(gòu)的演化等情況。LES 在模擬高雷諾數(shù)和近壁面湍流流動(dòng)問(wèn)題時(shí)，計(jì)算量大，耗時(shí)較多，故也不適用于工程實(shí)際問(wèn)題。針對(duì) RANS 和 LES 各自的優(yōu)缺點(diǎn)，近些年一些研究學(xué)者們提出了一種RANS/LES 混合方法，已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。這種混合方法的思想是將整個(gè)流場(chǎng)分為兩個(gè)部分，由于 RANS 方法可以很好地模擬邊界層區(qū)域的流動(dòng)，所以流域的近壁區(qū)使用 RANS 方法來(lái)計(jì)算；在離壁面較遠(yuǎn)的主流區(qū)，主要是慣性力起作用，采用 LES 方法進(jìn)行計(jì)算。這樣的混合方法能充分發(fā)揮二者的優(yōu)勢(shì)，更為準(zhǔn)確地模擬邊界層結(jié)構(gòu)以及分離流大尺度湍流渦結(jié)構(gòu)，且計(jì)算量適中。

參考 Spalart 的試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)比三種湍流模型。下圖2.5 為后臺(tái)階流動(dòng)流域的示意圖，圖中展示了臺(tái)階流道單元體整體的三維結(jié)構(gòu)，其中臺(tái)階高度 H=38mm，整體臺(tái)階高 5H=190mm，臺(tái)階總長(zhǎng)度為 29H=1102mm，單元體臺(tái)階寬度為 2H=36mm。根據(jù)臺(tái)階自身的幾何形狀特征，為了達(dá)到較高的網(wǎng)格質(zhì)量及計(jì)算精度，本文將用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格來(lái)劃分流域，并在臺(tái)階處及其周?chē)鷧^(qū)域進(jìn)行局部加密處理，網(wǎng)格數(shù)為 1,761,738。本文將選用 Fluent 軟件對(duì)后臺(tái)階流動(dòng)模型進(jìn)行數(shù)值模擬，臺(tái)階進(jìn)口處設(shè)為充分發(fā)展的流體，來(lái)流速度 u=11.3m/s，出口采用自由流。臺(tái)階的上、下面設(shè)置為無(wú)滑移壁面邊界條件，左、右面設(shè)置為周期性邊界條件。計(jì)算選用 PISO 算法

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2760560