层流条件下圆弧形波波纹管内流动与传热特性数值模拟开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

一、前言

换热器作为一种传热设备是工业生产中不可缺少的设备。据统计,在现代石油化工企业中,换热器投资占30%～40%;在制冷机组中,蒸发器和凝结器的重量占机组总重量的30%～40%,动力消耗占总值的20%～30%；在热电厂中,如果将锅炉也视作换热设备，则换热器的投资约占整个电厂总投资的70%左右[1]。因此,换热设备的合理设计、运转和改进对于整个企业投资、金属耗量、空间以及动力消耗有着重要影响。

波纹管是一种大小圆弧相切、内外波形如波纹状的薄壁管子,可通过液压成型、机械胀型、滚压成型等方法进行加工得到。作为一种高效强化换热管,国内外的研究人员对波纹管的传热和流动特性进行了各种研究[2-3]。总体上讲,所有研究成果均表明波纹管具有显著的强化传热效果。波纹管具有一些光管所不具备的突出优点:1.可抵消因冷、热流体温差而产生的应力,从而可以有效防止泄漏;2.由于横截面周期性变化,流体流经波纹管时流速和压力将不断变化,从而改变流动边界层和热边界层,具有传热效率高等优点。

2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

本课题为综合分析类课题。在一定范围内,通过数值模拟的方法,计算湍流条件下三角形波波纹管内在不同波纹结构条件、不同雷诺数条件下流动与传热特性,得出相关参数如换热系数、努塞尔数,进出口压差、摩擦系数等,并得到有一定普遍意义的计算公式。

波纹管是通过圆管管壁的凸起与凹陷以增加近壁面流体的扰动减薄边界层厚度以强化传热,代价即为增加流动阻力。波纹管是工业领域常用的强化换热方式,以往的研究多采用实验方法,耗时耗力,同时无法针对管内换热强化过程做深层次的分析。数值模拟的方法目前对单相流动和传热过程相对比较成熟,其计算精度可以满足工程要求。通过模拟的方法得到具有工程意义的参数,可以培养学生的工程概念,了解针波纹管流动与换热特性。

作者需要针对特定结构参数下的单根波纹管,应用gambit软件进行建模和初步定义边界条件,利用fluent针对管内温度场、速度场和压力场进行求解。最终利用计算所得相关参数,设计一台波纹管式固定管板换热器,实现一定工艺过程,并绘制出图纸。