硕士研究生学位论文开题报告_工学_高等教育_教育专区。兰州交通大学硕士研究生学位论文开题报告 学号： 姓名： 专业：流体机械及工程 拟选论文题目： 导师姓名及职称： 叉排圆管间断环面圆弧型开缝换热器翅片换热特性的数值研究 一、 开题报告的主要内容 1
兰州交通大学硕士研究生学位论文开题报告 学号： 姓名： 专业：流体机械及工程 拟选论文题目： 导师姓名及职称： 叉排圆管间断环面圆弧型开缝换热器翅片换热特性的数值研究 一、 开题报告的主要内容 1. 拟选课题的国内外动态、水平 （1）课题背景 随着科技的进步和人类生活水平的不断提高，在世界范围内能源危机也日益严重。能源短缺 与合理利用已经成为了一个世界性的课题。换热器是在工程中实现热量对流传输与交换以满足规 定的工艺要求的装置，在工业领域中发挥着很重要的作用。因此实现换热器的高效紧凑就显得尤 其重要。 换热器在实际使用中应用最广泛的是翅片管换热器， 采用翅片就是一种有效增加传热面积的 方法。它的优点是能够在材料消耗较少的情况下较大的增加传热面积来实现性能的强化。但随着 经济的不断发展，对换热器性能的要求也越来越高效化。在工作介质为空气和水的翅片管换热器 的典型应用中，其换热性能主要受限于空气侧的热阻，为了强化翅片表面的传热，研究者们在最 初的平板翅片基础上发展了一系列翅片，例如：波纹翅片、开缝翅片、涡发生器翅片等。大量的 研究表明，强化传热必然伴随着流动阻力的增加，同时根据流体力学知识，流体横掠圆管的时候 会在圆管后面形成一个分离涡区域。尾涡区不仅增加了流动压降，而且会造成传热强化。所以在 增强肋侧传热能力的同时消耗较少的空气流动功率一直是能源动力领域的国际前沿和挑战性研究 内容，而减少尾部回流区及强化圆管尾部翅片表面的传热就成了主要的技术难点。 （2）相关领域的国、内外现状和进展分析 目前，研究者对管翅式换热器的研究主要集中在传热、流动及防止结垢方面的研究。主要是 是强化传热的同时避免过大的流动阻力而开发新型的、更高效的传热表面。其途径主要是： （1） 减小管翅式传热器的传热管的管径尺寸、 减小换热管管排的横向间距和纵向间距等结构尺寸。 （2）为了强化传热，也可以通过增强空气侧的流体流动的湍流强度而不断改善流体的流动方向。 主要采用的方法是改变翅片的形状，如在平直翅片的基础上发展起来的波纹翅片等。 （3）采用间断式翅片，如开缝型翅片、锯齿型翅片、穿孔翅片和百叶窗翅片等。间断式翅片的换 热与流动特性沿着气流方向而逐渐的改变，从而达到强化传热的目的。另一方面是更合理的选择 有关参数和设计流体分配结构，使流体在流道内得以更均匀的分配，主要是优化管路流程布置， 以增大传热平均温差。 目前国内外学者对于强化传热技术的研究主要集中在改变流体的物性和流动状况以及改变换 热面的表面状况方面。所采用的研究方法主要有实验法、数值模拟法以及两者综合对比法。主要 所研究的内容包括几何参数对换热和流动的影响；雷诺数对换热及流动的影响及相关关联式的拟 合。典型成果有： （1）Wang C C 等人对不同翅片间距、不同管外径、不同横向管间距、不同管排数以及不同翅片厚 度等49种开缝翅片进行了较为全面的试验研究。 （2）Yun L Y 和 Lee K S 等人研究了开缝高度、开缝宽度、开缝角度以及开缝位置等设计参数对 翅片阻力和换热性能的影响,分析了影响翅片阻力和换热性能的因素。 （3）姜国栋对间断环面开缝翅片进行了萘升华比拟试验，研究了3中不同板间距结构情况下的传 热与阻力特性，并与相同条件下的圆管光板翅片进行了对比。 （4）李红智等人利用粒子图像测速技术和红外成像技术对4排叉排圆弧型和 X 型开缝翅片的流动 和传热特性进行了可视化研究。在试验的 Reynolds 数范围内，得到了阻力和换热特性曲线以及能 反映流动和传热细节的流场和温度场，为数值模拟和翅片结构优化提供了可靠的实验依据。 （5）王成刚等人利用 Fluent 软件对四种四排圆弧型开缝翅片的传热性能和阻力特性进行了数值 模拟，在速度变化较大范围内，得到了传热和阻力特性曲线，在不同速度情况下比较了不同宽度 圆弧形开缝翅片的综合换热性能。 通过国内外学者的研究成果发现， 几种由平直翅片改进而来的强化型开缝翅片各有其优缺点， 翅片间距、管间距、管排数、管路排列方式以及雷诺数等直接影响翅片管换热器传热和流动性能。 对于翅片管换热器，其传热和流动特性除了受上述参数影响之外，还受到翅片开缝样式、开缝位 置、开缝高度等几何参数的影响。 2.拟选课题的目的、意义及在该领域目前存在的问题 （1）本课题的目的和意义 换热器是一种常见的热能传递设备之一， 是提供不同温度下发生热接触的两种或多种流体 之间，或固体表面与流体之间，或固体粒子与流体之间进行热能交换过程的装置。同时换热器也 是出色的热交换载体，成为市场上诸多工业产品的关键部件，被广泛用于加工、动力、运输、空 调、制冷、低温、热量回收、替代燃料和制造领域中。换热器在节能、能量转换和回收，以及新 能源应用领域的重要性与日俱增。同时换热器的性能、效率的提升，更需要合理的设计与评估。 所以如何改进和优化管翅片式换热器的性能，开发更紧凑传热效率更高的换热器是本课题进行研 究的目的和意义所在。 本课题将针对翅片侧流动和传热的特点 ,以流体力学、传热学和热力学的一些重要理论为基 础，结合实际的间断环面圆弧型开缝翅片的物理模型展开研究。借助相关的理论分析，通过数值 模拟的方法，从数值上获得间断环面圆弧型开缝翅片换热量和进出口温度、传热系数、传热面积 及阻力等相关量之间的关系及流动、阻力特征。 （2）在该领域目前存在的问题 结合现有的研究成果可知，对于翅片管式换热器性能的研究，主要分为理论研究、实验研究 和数值模拟三个途径。实验研究方法是获取数据的重要途径，国内外很多学者对换热器的换热和 流动情况，特别是换热器壳程的换热和流动情况进行了大量的研究，但效果还不令人满意。因为 实验的方法只是给出了换热器整体的压降和传热系数，不能预测换热器内详细的流动、换热情况。 事实上详细的流场、温度场对于更好地了解换热器的设计研究具有重要的价值。 已查到的文献中对间断环面圆弧型开缝翅片的研究从传统的角度出发，通过比较宏观的实验 结果得出翅片阻力和换热性能的优劣，但由于间断环面圆弧型开缝翅片的结构复杂性，迄今对其 局部特性研究研究不是很充分，而且其传热机理尚不是很清楚。 3.论文准备解决的问题 本课题选取部分叉排配置的翅片单元作为研究对象，基于流体动力学、传热学和热力学的基 本理论,通过生成精度较高的网格模块，采用固体标记法确定流体区和固体区，对控制方程、边界 条件进行离散化，利用Rrotran语言进行速度场和温度场程序编制和调试，最后通过对数值计算结 果的处理，分析新型翅片的流动特性和传热特性，对主要参数进行优化配置。主要的内容包括以 下几个方面： (1) 确定所研究的新型翅片物理模型的几何尺寸，并生成精度较高的网格模型； (2) 进行控制方程离散化，选择合理的边界条件处理方法并离散化，对速度场和温度场进行 程序编制、调试； (3) 在不同进口速度和开缝高度的条件下，模拟翅片侧的流动和传热以及阻力特性； (4) 对数值结果进行处理、分析，与已经得出的实验结果进行比较并分析。 4.研究方案 （1）方法 A、选取叉排圆管间断环面圆弧型开缝翅片的物理模型如图所示： 主要尺寸有：纵向管间距 S1、横向管间距 S2、翅片长度 Lx、圆管外径 D、圆管壁厚 δ t、翅片 间距 Tp、翅片厚度 δ 、圆弧形开缝与圆管的夹角、开缝的长轴直径 2a 与短轴直径 2b 。 B、网格模型生成 基于已经选定的实际物理模型尺寸，首先采用无限插值法生成生成初始网格模型，再利用泊 松方程调整网格正交性和疏密性并对特殊区域进行特别标示，以生成精度较高的网格模型，最后 为了保证数值结果的准确性和正确性，还要进行网格独立性考核。 C、数学模型建立 物理模型建立在如下假设条件下： (1) 流体和翅片的物性为常数； (4) 忽略流体中的黏性耗散； (2) 流体无内热源； (3) 流动和传热是稳态的； (5) 流动为不可压缩的层流状态。 根据以上假设，在计算区域,用如下控制方程用来描述计算模型流体流动和传热过程 连续性方程： ? ? ? ui ? ? 0 ?xi (1) (2) ? ?p ? ? ?u ? ? ?uiuk ? ? ? ? ? ? k ? ?xi ?xk ?xi ? ?xi ? ? ? ? ?T ? 能量方程： ? c puiT ? ? ? ?? ? ?xi ?xi ? ?xi ? 动量方程： (3) 上述各方程中，ρ 为流体的密度，μ 为流体的动力黏度系数，cp 为定压比热容，λ 为流体导热 系数。 D、确定描述方程的边界条件 计算区域大致可以分为进口、出口、翅片表面区域、圆管区域、延伸区域等几个区域，根据不 同区域的特点选择相应的边界条件和离散化处理方法。 E、选择数值方法进行计算并进行结果分析 本课题拟采用适体坐标进行流动与传热的计算， 即通过一定的转换关系将将直角坐标内的物理 平面转换为计算平面内的适体坐标；再进行计算平面内的控制方程和边界条件的离散化；拟采用 Simple 算法进行速度和压力耦合的计算，确定合理的收敛判据得出数值结果并进行分析。 （2）预期目标及成果 本课题基于前述研究工作基础上，研究间断环面圆弧形开缝翅片强化传热的机理，分析不同 弧形对于流动、传热和阻力特性的影响，并分析其产生二次流强度与分布情况。采用数值模拟的 方法进一步优化该种翅片的传热性能，为翅片管换热器的设计与优化提供可靠的数据。 二、论文工作计划 起止时间 主要内容简述 查阅文献，收集资料，确定 研究方案，列出论文提纲 主要工作地点、方式和拟达到目的 网上查阅相关资料，掌握相关文献的研究内容 与方法。 办公室，完成开题报告。 办公室，运用 FORTRAN 软件编程，并为数值 分析提供基础网格 办公室，运用 FORTRAN 软件进行数值计算并 进行结果考核 办公室，完成论文的编纂工作 2014.8～2014.10 2014.10～2014.11 开题答辩 2014.12～2015.1 2015.2～2015.7 2015.8～2015.12 划分网格，建立网格模型 完成数学模型，进行数值 计算 论文初稿 2016.1～2016.5 论文修改、定稿，准备答辩 办公室，查缺补漏，完善论文。 三、指导教师（或指导小组）意见 签名： 年 月 日 四、考核小组意见 □通过 □不通过 考核小组成员签名： 组长签名： 五、学院学位分委会意见 年 月 日 签名： 年 月 日 备注：该选题报告一式二份，办完所有手续后，一份各学院存档，一份交研究生学院培养办公室。 附：主要参考文献 [1] Wang C C，Lee W S，Sheu W J. 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