摘要
由于能源短缺的问题日益严重，为了缓解能源压力，最大程度地提高热能利用率与余热回收率，强化传热技术已成国内外学者重点关注的研究方向。目前，单一改变形管道结构强化传热，或脉动流强化传热的研究较为广泛。管道结构强化传热与脉动流结合，可以充分利用两者的协同效应，使近壁区和中心区达到协同的复合强化传热，这对获得高效的传热性能有重要意义。但两项技术结合的研究尚处于初级阶段，尤其是将螺旋波纹管和脉动流相复合的研究更为罕见。为了深入研究螺旋波纹管与脉动流复合的协同效应，揭示脉动流强化换热机理。本文通过数值模拟和实验研究相结合的研究方法，探究管内脉动流场对螺旋波纹管流动和传热特性的影响，并探讨脉动流场与螺旋纹管在复合作用下增强传热效应的可行性。本文主要的研究工作如下： (1)建立了螺旋波纹管的仿真模型，并对仿真模型进行了合适的网格划分和无关性验证，选用了RNGk-ε湍流模型，并对此进行了步长无关性和模型验证，设置了合理的边界条件，为后续的数值模拟做好了充足的准备。 (2)开展了脉动流场作用下螺旋波纹管内流体的流动与传热特性数值模拟研究。仿真结果表明：雷诺数Re、脉动振幅P和斯特劳哈尔数St对螺旋波纹管内流体的流动与传热特性产生显著影响。流动特性方面，螺旋波纹管内流体在脉动流场中的流动状态与定常流场的相比存在显著差异，存在稳定流动和不稳定流动两种状态。此外，随着P和St的增加，不稳定流动持续的时间也相应变长。阻力特性方面，平均摩擦阻力系数f-随着Re的增加而逐渐减小随着P的增加，f-逐渐增大；随着St的增大，f-的变化不大。传热特性方面，随着雷诺数Re的增加，传热强化系数Eh先增加后降低，最佳强化传热系数大致出现在Re为1200左右。此外，随着St的提高，传热强化系数Eh的增长趋势呈现出近似正比例关系。综合传热性能方面，综合传热性能PEC随着Re的增加，先增加后降低，PEC最大值大致发生在雷诺数Re为1200时。PEC随P的增加而增强。同时发现随着St的增加，PEC增长趋势均近似正比例型函数。 (3)搭建了螺旋波纹管壳式换热器脉动流强化换热实验平台，研究分析了脉动流场下不同脉动参数的波形，阻力系数，传热特性以及强化换热性能，并与数值模拟结果对比分析，实验结果表明：实验的平均努塞尔数和平均阻力系数与数值模拟的进行对比分析发现其表现出一致的规律性，其最大偏差分别为8.2%、和16.7%，验证了仿真模型的有效性。
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