摘 要

换热器换热效率和生产效率的高低直接影响着相应工艺技术的能耗和投资量，因此紧凑型高效换热器具有巨大的应用前景。管式换热器因其结构简单、流动阻力小及易清洗等特点，广泛应用在石油、化工、冶金及轻工等行业，然而列管式换热器的总换热系数较小、导致其体积庞大、生产效率较低。扭曲管是一种被动强化换热技术，具有列管换热器结构简单、易清洗等特点，能够有效强化管内流体传热性能。在相关学者的研究基础上，本文以空气为介质，通过三维制图软件（Solidworks）建立扭曲正多边形管物理模型，其次采用ICEM进行网格划分，然后导入FLUENT软件中进行数值模拟，分析扭曲正多边形管的截面参数（正多边形边数）和扭距对强化传热效果和压降性能的影响。为了减少由于流体流态的影响，本文按照低雷诺数和高雷诺数分别进行分析讨论，为不同使用场合提供相应的建议，最终通过拟合数值计算的结果，得到扭曲正多边形管换热器管程传热与压降特性计算通用型准则关系式，并对其经济性进行了说明。

关键词：扭曲正多边形、边数、扭距、强化传热，数值模拟

Numerical study of heat transfer and pressure drop

characteristics in twisted regular polygon tubes

Abstract

The heat exchange efficiency and production efficiency of heat exchangers directly affect the energy consumption and investment of the corresponding process technology. Therefore, compact and efficient heat exchangers have great application prospects. Tube heat exchangers are widely used in petroleum, chemical industry, metallurgy and light industry because of their simple structure, small flow resistance and easy cleaning. However, the small heat transfer coefficient of tube heat exchangers leads to its large volume and low space production efficiency. Twisted tube is a passive heat transfer enhancement technology. It has the characteristics of simple structure and easy cleaning，and it also can effectively enhance the heat transfer performance of fluid in tube. Based on the research of relevant scholars, the paper established the model of twisted regular polygon tube by Solidworks, divided the mesh by ICEM, and carried out numerical simulation in the Fluent at last. The effects of cross-sectional parameters (number of regular polygon edges) and twisted pitch length on heat transfer enhancement and pressure drop performance of twisted regular polygon tube are analyzed. In order to reduce the influence of fluid flow pattern, this paper analyzed and discussed in accordance with low Reynolds number and high Reynolds number respectively, and provided corresponding suggestions for different application occasions. Finally, by fitting the numerical results, a general formula for calculating heat transfer and pressure drop characteristics of twisted regular polygon tube heat exchangers is obtained, and its economy is explained to solve this problem.

Key words: twisted regular polygon, edge number, twisted pitch length, heat transfer enhancement, numerical simulation

目录

第一章 绪论 1

1.1研究的目的及意义 1

1.2管程强化传热技术及研究进展 2

1.2.1强化传热技术简述 2

1.2.2扭曲管管内强化传热的研究及其进展 3

1.3研究内容与方法 3

1.3.1研究内容 3

1.3.2研究方法 4

第二章 扭曲正多边形管管程的数值模拟 5

2.1几何参数 5

2.2数学模型 6

2.3求解方法 7

第三章 低雷诺数下扭曲正多边形管管内传热与流动特性 10

3.1正多边形边数对扭曲管性能的影响 10

3.1.1正多边形边数与努赛尔数的关系 10

3.1.2正多边形边数与阻力系数f的关系 11

3.2扭距对正多边形扭曲管性能的影响 13

3.2.1扭距与努赛尔数的关系 13

3.2.2扭距与摩擦系数的关系 14

3.3准则关系式的拟合 15

第四章 高雷诺数下扭曲正多边形管管内传热与流动特性 16

4.1正多边形边数扭曲管性能的影响 16

4.1.1正多边形边数与努赛尔数的关系 16

4.1.2正多边形边数与摩擦系数的关系 17

4.2扭距对正多边形扭曲管性能的影响 19

4.2.1扭距与努赛尔数的关系 19

4.2.2扭距与摩擦系数的关系 20

4.3准则关系式的拟合 21

第五章 经济性分析 22

第六章 结论与展望 23

6.1结论 23

6.2展望 23

参考文献 24

致谢 27

第一章 绪论

1.1研究的目的及意义

自改革开放以来，我国的工业现代进程越来越快，与此同时，也出现了相应的能源短缺问题，故而开发和利用新能源已成为当下的重要任务之一。在开发和使用可再生能源和新能源的过程中都需要要用到高效的、经济性高的换热器，因此可以毫不夸张的说换热器的性能好坏在一定程度上决定着我国的经济发展命脉。

换热效率和生产效率的高低在很大程度上会决定换热器的工艺技术的能耗，以及相关的投资量，这样看来，紧凑型高效换热器必将更受市场的追捧。管式换热器有许多优势，比如它的结构更为简易，另外的流动阻力相对更小而且更容易清洗，因此很多行业看中了管式换热器的这些特点，像石油、化工、冶金等相关行业都在使用。然而管式换热器换热系数较小(500～2000W/(m²·K))，导致其体积庞大，空间生产效率较低。近年来，随着电磁力、机械搅拌、表面振动、粗糙表面处理、内置扰流元件及管道扭曲等传热强化技术的应用，管式换热器的换热效率和紧凑性得到了显著提高^[1]。其中，扭曲管是一种被动强化换热技术，具有列管换热器结构简单、易清洗等特点，能够有效强化管内流体传热性能。

因而在立足于控能、控材、节省大额资金这一角度，世界上许多国家对强化传热型换热器都保持着高度的开发热情，于是为了将能源进行合理的利用与开发，换热设备的性能必须要达到较高的水准，它也是能源开发的必要条件之一。现今，扭曲管换热产品已经成为石油化工等重工业中的宠儿，比起传统的换热设备，扭曲管类传热更快、压力水平较低，且设备占地小，抗污垢能力强，使用以扭曲管为主要元件的传热设备，能在拔高热能率的前提下将资源损耗降到最低，是省钱省材料的最优解。

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