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1、毕业设计开题报告学 生 姓 名 学 号 院 系 学科、专业 指导教师 专业技术职务 入学日期 xxxx年xx月xx日基于fluent的新型换热管传热与流动特性数值模拟一、选题背景及其意义能源是发展国民经济的基础。目前，世界各国普遍面临着能源供应紧缺的问题，要实现国民经济的可持续发展，必须提出有效的节能减排措施，即提高能效、节约能源的同时降低污染物的排放1。我国已将节约能源作为一项基本国策，将节能视为煤、油、气和水能之后的“第五能源”。我国能源总量的70%消耗在工业中，因而工业生产过程中能源的有效利用、节约及回收极为重要，而经济性的设计和操作与能量的有效利用密切相关。所以高效节能装备的研究与开发
2、，是当前国内外技术领域与能源科学界的研究热点，更是缓解我国日益严峻的能源形式的客观需要2。要缓解能源紧张以及污染物排放的问题，节能是必然选择，已成为我国的长远战略方针。而设计和制造各类高性能换热设备是经济地开发和利用能源的最重要手段。强化传热研究的主要任务就是改善、提高热传播的速率，以达到用最经济的设备来传递规定的热量，或是用最有效的冷却来保护高温部件的安全运行，或是用最高的热效率来实现能源合理利用的目的3。换热设备是化工、石油、生物和食品加工等行业中广泛应用的通用设备，其强化传热及其相关性能的优劣对于节能降耗具有重要意义4。近几十年来，航空航天、核能、制冷等工业发展迅速。一方面，各部门纷纷加
3、大工业过程中设备的容量，以满足企业发展的要求。另一方面，由于这些工业过程中存在有限的动力及空间，故需要减小换热设备的尺寸以及重量，使得系统中换热设备更紧凑，以期不更换原有设备就可以强化换热设备的换热过程，提高换热设备的传热性能。二、国内外研究现状从上个世纪六七十年代开始，人们便开始对螺纹管内的传热与流动现象进行研究。研究方法主要分为实验研究方法与数值模拟方法。前者通过实验方法，测定不同材料的肋管、不同的流动介质在给定状态下，螺纹管内各个主要参数对管内流动的摩擦阻力与换热特性的影响。Carvous5,6实验研究了螺纹管内的平均传热系数与摩擦阻力，并单独研究了三个主要尺寸参数的影响，包括螺纹头数、
4、螺纹肋高和螺纹升角。他们建议对不同高度的螺纹助片应区分为高助与微翅片，因为两者具有不同的换热机理；且在其所研究的雷诺数之内，建议釆用矩形的螺纹形状，因为这样的螺纹形状具有较大的传热面积。Whiters7以水水为工作介质，在2pr11,10000Re120000的实验条件下，对单头的螺纹管进行了单管管内单相流传热与阻力实验研究；通过使用热动量传输准则，把实际的设计问题和对特殊条件下管子几何的优化问题相联系。研究表明：管内传热系数为同类型光管的2.1倍；在特定应用和经济条件下，由于增强换热导致管内压降平衡是设计研究的一个重要问题。Zimparov8等对电站冷凝器设备中的一根光管和25根螺旋槽管的进
5、行了实验研究，获得了螺旋槽管的传热和等温摩擦压降特性。他们选用螺旋槽管参数范围是0.44-1.88mm，槽深为螺纹间距为6.5-16.9mm，螺旋角度为68-85和雷诺数为10000-60000。通过代入雷诺数普朗特数及螺纹有关参数到统一的数学模型，他们理论上预测了范宁阻力系数，分析了管子两侧强化换热的机理。同时，他们也通过性能评估标准，得到了使用螺旋槽管能得到的实际好处。Panchal8实验研究了单相流和流动沸腾条件下，垂直安装的铭制螺旋槽管的传热和流动阻力特性。研究表明：在单相条件下，由于二次流的产生，虽然流动阻力增大了，但是螺旋槽管仍然强化了换热；由于表面张力的影响，凝结换热系数得到了很
6、大提高；由于螺旋槽管表面形状的影响，螺旋槽管沸腾强制对流换热得到极大的提高。Sang10等研究了水平螺旋错齿槽管内单相换热和压降性能。他们选用乙稀乙二醇和水的混合溶液以及纯净水作为工作介质，管长为5.83m，管径为14.86mm。通过测量管内外温度、质量流速和压降，计算了螺旋锯齿槽管内外的换热和压降系数，提出了在层流和湍流条件下的螺旋锅齿槽管内外换热系数关系式，并发现在相同下，换热效果比光管提高了1.5倍。同时，他们也对比了不同粗棱度下的关系式，讨论了数对换热特性的影响。最后他们得到了在实验的螺旋锅齿槽管内从层流过渡到湍流的临界。在国内，螺纹管的研究也一直是一个传热流动领域的热点问题。早在年，
7、邓先和31等通过实验方法研究了采用内螺纹管的管壳式换热器中流体的流动与传热性能，研究结果表明，在同等情况下，实验中所釆用的内螺纹管管壳换热器较弓形隔板壳式换热器而言，总换热系数增加了48%，从而减小了32.4%的传热面积。该研究是国内较早的一篇对内螺纹管传热与流动现象的实验研究，其结果显示的换热系数显著增加，也吸引了更多学者开始着眼于该强化传热方法的研究。重庆大学强化传热科研组程俊国、冯俊等12与重庆锅炉厂合作，实验研究了不同结构的螺旋槽管管内瑞流流动阻力和传热特性，分析得到了传热和流动阻力的实验关系式，并确定了螺旋槽管的最佳结构参数。研究表明，螺旋槽有效地强化了换热，当Re=25000时，管
8、内传热系数比同类型光管增加了23%-170%在湍流区域，Re越小，螺纹管的强化传热效果越明显。西安交通大学的杨东、陈听宽13等对单相油在根不同几何参数的黄铜内螺纹管中的瑞流摩擦阻力与传热特性进行了实验研究，并将实验结果与Nakayama、及Rvigurvurajran等的公式计算值作了比较。以Rvigurvurajran关联式为基础，通过对实验数据进行回归分析，提出了计算油的摩擦系数及传热系数的统计关联式，其无量纲粗糙高度e/d的适用范围为0.02-0.04，pr数适用范围为41-120。大多数关于内螺纹管的实验研究所选择的工质均为水和空气，而在该研究中选择以油为工质，是将科学研究应用于工业领
9、域的很好的示例，为广泛应用于能源动力、石油化工等领域中的以油为介质的换热器的设计提供了参考依据。上海理工大学的余敏、郭莹等14对不同螺旋角度的内螺纹管进行了凝结换热和阻力特性实验。研究表明螺旋角度在螺纹管的凝结换热过程中有着不可忽视的影响。较大的螺纹角度有利于排除冷凝液，使得整个凝结换热侧的液膜厚度有所减小，提高凝结换热系数。虽然较大的螺纹角度使得单相流体水侧阻力增大，但对凝结换热的制冷剂影响正好相反，随着螺纹角度的增大，流动阻力反而减小。2003年董斌15提出了一种新型强化换热管,此换热管有外壁滚压凹槽的同时在内壁形成凸棱，制作工艺简单，可以适用于铝管、钢管、铜管等材质与普通换热管相比其换热
10、系数可以提高30%，对于节能降低能耗具有重要的意义。张伟，朱大勇等16对多向扰流换热管在电厂凝汽器中应用进行分析，得出凝汽器采用多向扰流不锈钢螺纹管，能够显著提高管内外的传热系数，强化换热，将普通管内壁形成的连续污垢变为鳞片状污垢，由水流的冲蚀产生自洁作用，有效降低凝汽器的热阻，大幅提高总体换热系数。在300 MW 机组上已经有数十台机组进行改造使用，未出现安全问题，经济效益明显。在新建1000MW 等级机组的凝汽器应用多向扰流换热管，每台机组增加投资约70万元，但年均可以降低供电煤耗约0.2g/kWh，回收年限不到1年。董斌、宁国泉17对不锈钢管多向扰流换热管进行了振动对比试验，指出一阶固有
11、频率比光管提高了47HZ，振幅降低0.9mm。不锈钢多向扰流强化换热管为最新推出的获得国家专利的新型强化换热管, 它将换热强化和机械强化有效地结合在一起, 克服了单向螺旋槽管由于弹簧效应而产生的管子刚度降低的缺点,能适应很广的水速范围, 具有换热效率高、抗腐蚀、抗结垢、抗振(“一高三抗”)等特点。武汉大学万祥等人18对不同雷诺数的情况下对参数为管外径20mm，壁厚0.5mm，总长400mm，螺纹头数( 螺纹槽个数) 6 个，其中3 个顺时针螺旋，3个逆时针螺旋，螺纹螺距为40mm，螺纹槽宽为0.2mm的新型强化换热管进行数值模拟，并进行此管在凝汽器改造中的经济性进行分析。新型强化换热管类似于板
12、式换热器内波纹板的三维强化换热结构，传热性能比光管提高很多。普通的螺纹管其螺纹为单向的，单向螺纹管及横纹管对管内流动的扰动作用仅是同一个方向的，而新型强化换热管对管内流体的扰动既有切线方向的，也有法线方向的，因此新型强化换热管管内换热系数会大幅提高。对于普通螺纹管，为了强化换热，通常采用较深的螺纹及较密的节距，因此加工应力大，而新型强化换热管槽深小，不会留有太大的加工应力，因而不会造成应力腐蚀19。但是，目前对新型强化换热管传热性能的认识只是定性的，亟需对其传热性能进行定量分析。三、课题研究内容、目标以及拟解决的关键问题在分析总结国内外学者研究成果的基础上，本课题采用数值模拟分析方法，应用新型
13、换热管，研究其传热和流动特性。课题主要以新型换热管为研究对象，对工质流经换热管的主要研究内容有：1利用fluent软件进行数值模拟，在不同的水温、雷诺数条件下，分析新型换热管几何参数正反螺旋头数、螺旋升角、螺距等对管换热与流动的影响，将新型换热管与光管的速度场、温度场和压力场等模拟后进行对比分析，确定各换热管的优劣；2.模拟研究水温、雷诺数、几何参数对壳程传热与流动的特性的影响。3.运用协同场原理阐明新型换热管的强化换热机理；4.通过对模拟结果分析采用非线性回归的方法确定传热及流阻的准则关联式；5.分析比较管束横掠、纵掠与顺列、错列不同情况下的传热与流动特性;6.根据数值模拟结果对设计变量进行
14、多目标优化获得换热管最佳结构。本课题的目标及拟解决的关键问题是找出影响新型换热管强化传热的各种因素，并提出相应的改进措施，寻找换热管的最佳性能几何参数。四、拟采取的研究方案、可行性分析及难点本课题的难点运用Solidworks进行换热管的建模与运用meshing进行网格的划分后采用应用有限体积法的FLUENT软件进行数值模拟，研究新型换热管的换热和流动特性，运用协同场原理阐明新型换热管的强化换热机理；采用非线性回归的方法得出传热与流动的准则关联式；并分析数值模拟结果，将得出的结果进行多目标优化寻找最佳性能的换热管几何参数。五、预期成果和可能的创新点应用新型换热管对换热管传热和流动性能进行模拟研
15、究预计成果：（1）分析新型换热管的流场、压力场与速度场，得出新型换热管的传热和流动性能；（2）获得新型换热管束横掠、纵掠与顺列、错列不同情况下的传热与流动特性。（3）得到新型换热管的相关准数关联式，对该类型换热管的设计起到指导意义。（4）获得新型换热管的在课题研究范围内的最佳性能几何参数。六、论文工作计划2018/11-2018/12查阅国内外相关研究文献，并进行研读，了解取得的研究成果及仍需解决的难题。2019/1进行相关课题研究的建模。2019/2-2019/5 进行数值模拟计算，并收集需要的计算结果数据，图形。2019/6-2019/8进行数据分析，比较，验证计算结果的正确性。2019/9 对验证后部分不太正确数据进行重新计算收集，分析。2019/10 完成论文的撰写，修改，定稿。七、参考文献1 胡志明, 袁益超, 孟凡茂. 凝汽器强化换热管的研究与应用J. 能源工程, 2015(5):68-72.2 斩明聪换热器重庆：重庆大学出版社，19873 帅志明, 李学泰. 电厂凝结换热器螺旋槽管强化传热J. 中国电力
