本文關(guān)鍵詞：機載多股流板翅式換熱器性能研究

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【摘要】：為滿足機載設(shè)備需冷量不斷增大的要求,高效、緊湊的多股流板翅式換熱器成為發(fā)展趨勢。多股流板翅式換熱器通道結(jié)構(gòu)復(fù)雜,任一通道流體溫度變化受眾多因素制約,在一定條件下會發(fā)生翅片旁通效應(yīng)、溫度交叉和熱量內(nèi)耗現(xiàn)象,另外,機載環(huán)境下沖壓空氣與其它流體的交叉流動以及流體相變流動均會導(dǎo)致其傳熱機理更加復(fù)雜。本文針對交叉式多股流板翅式換熱器精確數(shù)值計算方法和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計等方面展開研究。具體工作內(nèi)容如下:(1)多股流板翅式換熱器數(shù)值計算方法研究采用有限容積法,將換熱器劃分為W×L個子單元換熱器,首次提出將子單元換熱器尺寸與翅片間距、子單元換熱器通道間橫向能量傳遞與流體間流動方式相互獨立的處理方式建立交叉式多股流板翅式換熱器數(shù)學(xué)模型,并通過VC++語言編制程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)值計算;另外,針對周期性通道排列多股流板翅式換熱器,根據(jù)一個周期內(nèi)換熱器上下隔板熱流量相等的特點,構(gòu)建了一個周期內(nèi)封閉的控制方程組,減小了周期性通道排列多股流板翅式換熱器計算工作量;考慮到翅片表面特性對數(shù)值計算方法準(zhǔn)確性的影響,基于國外權(quán)威翅片特性實驗數(shù)據(jù)的誤差分析,對特定翅片結(jié)構(gòu)型式選取了最佳的實驗關(guān)聯(lián)式。(2)機載三股流板翅式換熱器性能分析基于多股流板翅式換熱器數(shù)值計算方法,研究了兩種通道排列方式下機載交叉式三股流板翅式冷凝器各股流體溫度場、翅片溫度分布特性;分析了目標(biāo)流體能量分配與最大換熱量之間關(guān)系;認為相變多股流板翅式換熱器換熱時由于相變流體熱容流大,相變對流表面換熱系數(shù)高,會扼制單相熱流體換熱;不同通道排列方式下傳熱面積利用率不同,在相同溫差驅(qū)動力下,將傳熱面積分配給熱容流大且對流表面換熱系數(shù)高的流體,傳熱面積利用率更高,換熱量也越大;另外,對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)型式的換熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計發(fā)現(xiàn):將同一流體復(fù)疊布置的通道當(dāng)做一個通道,熱流體設(shè)計熱負荷比例與通道分配比例接近時,更有利于換熱器實際運行趨于設(shè)計工況。(3)機載三股流板翅式換熱器性能試驗研究在熱動力試驗臺和蒸發(fā)制冷循環(huán)試驗臺上對無相變和相變流體在交叉式多股流板翅式換熱器換熱特性進行了試驗研究,對多股流換熱器的數(shù)值計算方法準(zhǔn)確性進行了試驗驗證;以試驗用三股流板翅式換熱器為例,對忽略同一層流體橫向傳熱的可行性和子單元換熱器尺寸的選取做了分析,認為從對流體出口溫度預(yù)測角度考慮,換熱器網(wǎng)格劃分過密對數(shù)值計算結(jié)果影響不大,但是過密的網(wǎng)格劃分必然導(dǎo)致計算效率的降低;通過交叉式三股流板翅式換熱器試驗與數(shù)值計算結(jié)果對比,證明數(shù)值計算方法能夠滿足機載條件高精度計算需求,同時發(fā)現(xiàn)流體在換熱器芯體內(nèi)流量分配不均勻、相變流體的對流表面換熱系數(shù)公式選取對數(shù)值計算精度有較大影響。(4)流量分配特性對換熱性能的影響研究通過Fluent軟件對板翅式換熱器封頭和單通道結(jié)構(gòu)分別建立模型,研究了流體在通道和封頭結(jié)構(gòu)內(nèi)流量分配特性,認為封頭結(jié)構(gòu)和導(dǎo)流片布置決定了流體在通道間和單通道內(nèi)的流量分配趨勢,流體質(zhì)量流量、通道阻力等會影響流量分配不均勻度;首次以CFD數(shù)值模擬結(jié)果為基礎(chǔ)建立了特定結(jié)構(gòu)形式下?lián)Q熱器流量分配模型,并通過換熱器計算程序研究了流量分配不均勻?qū)Q熱器換熱性能的影響,發(fā)現(xiàn):在流體不同的入口參數(shù)以及物性參數(shù)條件下,流量分配不均勻?qū)Q熱器換熱性能影響不同,不同的熱流體換熱性能可能提升或下降;換熱器通道的阻力特性影響流量分配不均勻性,阻力越小,通道間流量分配越不均勻,甚至導(dǎo)致各股流體的換熱性能均下降。(5)多股流板翅式換熱器通道排列評價方法研究總結(jié)了多股流板翅式換熱器通道排列評價方法,在定負荷且各流體通道負荷平均分配下,基于累積熱負荷均方差評價通道排列方式的合理性進行了驗證;在變負荷且考慮換熱器通道間橫向傳熱機理基礎(chǔ)上,對累積熱負荷均方差無量綱化,改進了溫差均勻性因子表達式,并在變通道排列方式、變流體入口參數(shù)和變流體流動方式條件下以三股流板翅式冷凝器為例驗證了各評價方法的適用性;在考慮換熱器橫向傳熱條件下,為減小采用優(yōu)化算法優(yōu)化通道排列方式時的計算工作量,本文首次提出了采用子單元換熱器通道排列特性尋優(yōu)通道排列方式的新方法,并在變流體流動方式、變?nèi)肟趨?shù)和變流體物性條件下研究了子單元換熱器入口參數(shù)選取方法。
【關(guān)鍵詞】：交叉式多股流板翅式換熱器 相變 有限容積法 流量分配特性 通道排列 累積熱負荷 溫差均勻性因子
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：V245.3
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-21
• 第一章 緒論21-34
• 1.1 研究背景及意義21-22
• 1.2 板翅式換熱器結(jié)構(gòu)特點22
• 1.2.1 板翅式換熱器結(jié)構(gòu)組成22
• 1.2.2 板翅式換熱器翅片形式22
• 1.3 板翅式換熱器的發(fā)展22-23
• 1.4 多股流板翅式換熱器新特點23-25
• 1.4.1 翅片旁通效應(yīng)23-24
• 1.4.2 溫度交叉現(xiàn)象24
• 1.4.3 熱量內(nèi)耗現(xiàn)象24-25
• 1.5 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀25-32
• 1.5.1 多股流換熱器傳熱分析25-26
• 1.5.2 通道排列結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計26-28
• 1.5.3 封頭和導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計28-29
• 1.5.4 換熱器傳熱強化評價方法29-32
• 1.6 本文研究內(nèi)容32-34
• 第二章 多股流板翅式換熱器計算方法研究34-60
• 2.1 數(shù)學(xué)建模34-50
• 2.1.1 橫向傳熱機理34-40
• 2.1.2 縱向傳熱機理40-41
• 2.1.3 數(shù)學(xué)模型總述41-43
• 2.1.4 數(shù)值計算方法43-44
• 2.1.5 周期性通道排列的處理方法44-46
• 2.1.6 翅片旁通效應(yīng)判別條件46-47
• 2.1.7 流體混合平均溫度計算47-50
• 2.2 翅片數(shù)據(jù)庫50-58
• 2.2.1 無相變翅片特性50-57
• 2.2.2 兩相流翅片特性57-58
• 2.3 本章小結(jié)58-60
• 第三章 機載三股流板翅式換熱器性能分析60-74
• 3.1 三股流冷凝器結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)60-62
• 3.2 流體溫度變化特性62-67
• 3.2.1 定溫度下?lián)Q熱器傳熱和流動參數(shù)62-63
• 3.2.2 流體流動方向平均溫度變化和總熱負荷63-64
• 3.2.3 各通道流體出口平均溫度與熱負荷64-65
• 3.2.4 各股流體溫度場65-67
• 3.3 翅片和隔板溫度分布67-70
• 3.4 換熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計70-72
• 3.4.1 同流體復(fù)疊布置70-71
• 3.4.2 不同熱流體隔離布置71-72
• 3.5 本章小結(jié)72-74
• 第四章 三股流板翅式換熱器性能試驗研究74-92
• 4.1 基于熱動力試驗臺試驗驗證74-84
• 4.1.1 熱動力試驗系統(tǒng)試驗原理74-75
• 4.1.2 測量儀器說明與不確定度分析75-76
• 4.1.3 換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)76-77
• 4.1.4 試驗流程77
• 4.1.5 數(shù)值計算相關(guān)設(shè)置77-80
• 4.1.6 數(shù)值計算與試驗結(jié)果對比80-82
• 4.1.7 數(shù)值計算誤差分析82-84
• 4.1.8 小結(jié)84
• 4.2 基于蒸發(fā)制冷循環(huán)試驗臺試驗驗證84-90
• 4.2.1 蒸發(fā)制冷循環(huán)試驗系統(tǒng)試驗原理84-85
• 4.2.2 測量儀器說明與不確定度分析85-86
• 4.2.3 試驗流程與結(jié)果86-87
• 4.2.4 數(shù)值計算與試驗結(jié)果對比87-90
• 4.3 本章小結(jié)90-92
• 第五章 流量分配特性對換熱性能影響研究92-110
• 5.1 流量分配不均勻影響因素分析92
• 5.2 換熱器內(nèi)部流場FLUENT數(shù)值模擬92-96
• 5.2.1 換熱器內(nèi)部流場數(shù)學(xué)描述93-96
• 5.2.2 FLUENT數(shù)值模擬相關(guān)設(shè)置96
• 5.3 單通道內(nèi)流體流量分配特性分析96-100
• 5.3.1 不同流量下流體流量分配特性97-99
• 5.3.2 不同芯體長度流量分配特性99-100
• 5.4 封頭結(jié)構(gòu)內(nèi)流體流量分配特性分析100-102
• 5.4.1 不同流量下流體流量分配特性101-102
• 5.4.2 不同流動阻力流體流量分配特性102
• 5.5 流體流量分配不均勻?qū)Q熱性能影響102-109
• 5.5.1 換熱器流量分配模型建立方法102-103
• 5.5.2 流量分配不均勻?qū)囟葓鲇绊?/span>103-106
• 5.5.3 數(shù)值計算與試驗數(shù)據(jù)對比106
• 5.5.4 流體參數(shù)和芯體阻力對換熱性能的影響106-109
• 5.6 本章小結(jié)109-110
• 第六章 通道排列評價方法研究110-130
• 6.1 通道排列評價方法110-112
• 6.1.1 隔離型通道排列110
• 6.1.2 局部熱負荷平衡型通道排列110-111
• 6.1.3 等壁溫型通道排列111
• 6.1.4 場協(xié)同原則指導(dǎo)通道排列111-112
• 6.2 累積熱負荷均方差原理的合理性驗證112-114
• 6.3 通道排列評價指標(biāo)對比114-119
• 6.3.1 不同通道排列115-116
• 6.3.2 不同入口參數(shù)116-117
• 6.3.3 不同流體組織方式117-118
• 6.3.4 小結(jié)118-119
• 6.4 通道排列評價新方法119-129
• 6.4.1 順流流動下不同通道排列方式換熱特性119-120
• 6.4.2 逆流流動下不同通道排列方式換熱特性120-123
• 6.4.3 子單元換熱器入口流量對通道排列優(yōu)化的影響123-124
• 6.4.4 子單元換熱器入口溫度對通道排列優(yōu)化的影響124-126
• 6.4.5 流體物性參數(shù)變化對通道排列優(yōu)化的影響126-128
• 6.4.6 小結(jié)128-129
• 6.5 本章小結(jié)129-130
• 第七章 結(jié)論與展望130-133
• 7.1 本文的研究結(jié)論130-131
• 7.2 本文創(chuàng)新點131-132
• 7.3 后續(xù)工作及展望132-133
• 參考文獻133-141
• 致謝141-142
• 在學(xué)期間的研究成果及發(fā)表的學(xué)術(shù)論文142-143

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