繞管換熱器在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛,是熱量交換的重要設(shè)備。螺旋管作為繞管換熱器的基本傳熱元件,其強(qiáng)化傳熱性能對(duì)工業(yè)過(guò)程的節(jié)能降耗至關(guān)重要。在螺旋管中二次流是一種常見(jiàn)的流動(dòng)狀態(tài),二次流強(qiáng)化傳熱技術(shù)已經(jīng)得到初步的研究與應(yīng)用。為了更好地應(yīng)用二次流強(qiáng)化螺旋管內(nèi)對(duì)流換熱,本文通過(guò)分析螺旋管內(nèi)二次流流型、二次流強(qiáng)度與對(duì)流換熱強(qiáng)度之間的關(guān)系,提出了螺旋管內(nèi)二次流強(qiáng)化換熱技術(shù)的具體方法。本文的主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)果和結(jié)論如下:（1）對(duì)螺旋管內(nèi)二次流流型流態(tài)變化規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。結(jié)果顯示,螺旋管內(nèi)二次流流型總體上呈現(xiàn)出對(duì)稱(chēng)的雙渦旋結(jié)構(gòu)。在一定范圍內(nèi),渦旋大小隨雷諾數(shù)的增大而增大,隨螺距的增大而減小。但當(dāng)雷諾數(shù)或螺距增大到一定程度,二次流雙旋渦結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出了不穩(wěn)定性。兩個(gè)渦旋中心連線(xiàn)與豎直方向的角度隨著螺距的增大而增大。（2）為了更準(zhǔn)確的定義螺旋管內(nèi)二次流強(qiáng)度,探究螺旋管內(nèi)二次流強(qiáng)化傳熱規(guī)律。分別針對(duì)普通螺旋管和復(fù)雜結(jié)構(gòu)螺旋管,提出了管內(nèi)二次流強(qiáng)度參數(shù)Ds數(shù)和二次流強(qiáng)度角β。Ds數(shù)和β越大,表明二次流強(qiáng)度越大。對(duì)螺旋管內(nèi)二次流流型、二次流強(qiáng)度與對(duì)流換熱強(qiáng)度進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。結(jié)果顯示,在本文研究的螺旋管結(jié)構(gòu)參... 

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方形截面彎管內(nèi)二次流速度矢量圖

1緒論5圖1.6螺旋半圓管夾套內(nèi)截面二次流流型邱立杰等[21]基于數(shù)值模擬的研究方法，利用Fluent軟件中的RNGk-e湍流模型，對(duì)90°彎管內(nèi)二次流現(xiàn)象進(jìn)行了數(shù)值模擬，為彎管內(nèi)二次流的進(jìn)一步研究提供了依據(jù)。1.2.2二次流流型規(guī)律的研究現(xiàn)狀（1）理論分析對(duì)于通道結(jié)構(gòu)參數(shù)如何影響二次流流型流態(tài)這一問(wèn)題，許多學(xué)者用理論推導(dǎo)的方法進(jìn)行了分析。章本照等[22]基于旋轉(zhuǎn)螺旋直角坐標(biāo)系，用張量分析的方法求解二次流問(wèn)題的控制方程，以迪恩數(shù)為小參數(shù)采用攝動(dòng)法獲取了橢圓截面旋轉(zhuǎn)管道內(nèi)的粘性流動(dòng)攝動(dòng)解，從理論推導(dǎo)的角度討論了二次流形態(tài)隨參數(shù)的變化。張金鎖等[23]采用理論分析的方法，基于曲線(xiàn)柱坐標(biāo)系，用曲率和撓率作為小參數(shù)，求解了環(huán)形截面螺旋管道內(nèi)粘性流動(dòng)的完全二階攝動(dòng)解。分析結(jié)果表明在撓率為零時(shí)，截面上二次流表現(xiàn)出了四渦結(jié)構(gòu)，當(dāng)撓率不為零時(shí)，二次渦的對(duì)稱(chēng)性收到了破壞，渦強(qiáng)和渦的個(gè)數(shù)會(huì)受到迪恩數(shù)和幾何參數(shù)的影響。章本照等[24]采用理論分析的方法，基于曲線(xiàn)直角坐標(biāo)系，從N-S方程出發(fā)，采用攝動(dòng)法求解了橢圓形截面螺旋管道內(nèi)的粘性流動(dòng)。分析結(jié)果表明二次流的流型收到一階撓率的影響，當(dāng)軸向梯度壓力增大時(shí)，二次流動(dòng)受曲率的影響也逐漸增大。Nobari等[25]引入科氏力分析了輕微彎曲的彎管內(nèi)的二次流雙旋渦結(jié)構(gòu)與四旋渦結(jié)構(gòu)，分析結(jié)果表明二次流雙旋渦結(jié)構(gòu)具有更高的的穩(wěn)定性，且這一結(jié)論在工質(zhì)進(jìn)口雷諾數(shù)變化較大范圍內(nèi)均具有適用性。Soeberg[26]基于二次流場(chǎng)的對(duì)稱(chēng)性，針對(duì)絕熱不可壓縮牛頓流體，進(jìn)一步研

2螺旋管內(nèi)二次流強(qiáng)度評(píng)價(jià)參數(shù)的提出132螺旋管內(nèi)二次流強(qiáng)度評(píng)價(jià)參數(shù)的提出緒論中已經(jīng)介紹了現(xiàn)有的幾種二次流強(qiáng)度參數(shù)，這些強(qiáng)度參數(shù)應(yīng)用的情形各不相同。本章首先通過(guò)理論分析螺旋管內(nèi)二次流的形成原因，明確螺旋管內(nèi)二次流強(qiáng)度大小的主要影響因素；擬提出Ds數(shù)作為螺旋管內(nèi)二次流強(qiáng)度的度量標(biāo)準(zhǔn)；針對(duì)異型截面螺旋管或者內(nèi)插擾流物螺旋管，提出以二次流強(qiáng)度角β作為二次流強(qiáng)度相對(duì)大小的度量標(biāo)準(zhǔn)。2.1螺旋管內(nèi)二次流形成機(jī)理分析2.1.1流體微元受離心力的分布本節(jié)從離心力和壓力梯度兩個(gè)角度出發(fā)，探討螺旋管內(nèi)二次流的生成原因。取螺旋管的一小段微元d，如圖2.1所示，在圓管軸線(xiàn)處，對(duì)于半徑為r，長(zhǎng)度為l的圓柱體微元，針對(duì)理想牛頓流體做如下假設(shè)：（1）忽略重力的作用；（2）流體為不可壓縮粘性流體；（3）流體做定常層流流動(dòng)。圖2.1螺旋管內(nèi)流體微元段沿主流方向受力示意圖該微元沿主流方向上的受力為：在前后端面受到兩個(gè)不同的壓力P1和P2，在側(cè)面有粘性造成的切應(yīng)力τ，根據(jù)定常流動(dòng)受力平衡，有：rrlrPP22221（2.1）其中，粘性切應(yīng)力可由牛頓粘度方程表示，切應(yīng)力τ為drdu（2.2）式中μ為流體粘度，u為主流軸向速度。


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