【摘 要】
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换热器作为必不可少的单元设备,广泛地应用于石油、化工、机械、动力、核能、冶金、船舶、交通、制冷、食品及制药等工业部门及国防工程中。随着换热器朝向紧凑化、高效能的趋势发展,对其换热能力也提出更高的要求,针对其内部散热通道的无源强化传热技术的研究已经成为迫切需求。本文以小型换热器内典型的矩形散热通道为研究对象,基于自然形成的真实粗糙表面和人工安置粗糙元素作为扰流元件这两种无源强化传热技术,通过CFD模
【基金项目】
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国防配套项目:微型高压空压机样机研制； 国家重点研发计划项目:高温、高压差条件下控制阀流场与控压机理研究（2018YFB2004001）；
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换热器作为必不可少的单元设备,广泛地应用于石油、化工、机械、动力、核能、冶金、船舶、交通、制冷、食品及制药等工业部门及国防工程中。随着换热器朝向紧凑化、高效能的趋势发展,对其换热能力也提出更高的要求,针对其内部散热通道的无源强化传热技术的研究已经成为迫切需求。本文以小型换热器内典型的矩形散热通道为研究对象,基于自然形成的真实粗糙表面和人工安置粗糙元素作为扰流元件这两种无源强化传热技术,通过CFD模拟仿真的方法,开展表面粗糙效应下矩形散热通道内流动与换热特性的研究工作:建立了矩形散热粗糙通道的基本物理模型,对四种湍流模型与实验关联式展开准确性对比分析,发现SST k-ω湍流模型具有较高的准确性与适应性,其努塞尔数和摩擦因子预测值的最小平均偏差分别为9.6%和2.2%。在此基础上,应用计算网格划分技术,建立了关于矩形通道内流动与换热特性的量化评价机制。基于SLM 3D打印的真实粗糙表面,分别建立了二维和三维的3D打印粗糙通道表面模型。并在二维和三维模型中分别引入多种规则与随机粗糙表面模型,展开矩形通道内压损与传热特性的对比研究。结果表明:矩形散热通道内的压损和传热特性对粗糙表面形貌高度敏感;3D打印粗糙表面模型具有一定的可靠性,能够较为合理的描述真实粗糙通道内压损与传热特性;相比于光滑通道,3D打印的矩形粗糙通道换热能力增强8.99%,压力损失升高25.02%。以具有规则人工粗糙元素的矩形散热通道为对象,分别从粗糙元素的种类、高径比和间距比等敏感参数入手,展开了多关键粗糙参数下矩形通道内流阻效应与强化传热机理分析。结果发现:从流阻和强化换热两个方面考虑,间距比S/D=8、高径比H/D=0.8的圆柱形粗糙元素拥有最高的热效率。并基于多种粗糙参数之间的数量关系,建立了流动与强化换热的相关性回归预测模型,实现对于给定粗糙参数区间下矩形通道内努塞尔数和摩擦因子的准确预测。结果表明,努塞尔数和摩擦因子的预测精度较高,整体偏差范围分别在±10%和±15%以内,平均绝对偏差分别仅为2.88%和5.57%。
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