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摘要............................................................................................................................... I Abstract.......................................................................................................................II 第1章 绪论.............................................................................................................. 1
1.1 课题的背景与意义........................................................................................ 1
1.1.1圆形螺旋管技术研究现状................................................................... 1 1.1.2 课题提出的意义.................................................................................. 1 1.2 对于螺旋管传热特性的研究现状.............................................................. 1
1.2.1 螺旋管的管内外传热特性的研究...................................................... 1
1.2.2 螺旋管强化换热与阻力特性的研究.................................................. 2 1.2.3螺旋管内湍流对流换热影响因素的的研究....................................... 2 1.3 本课题主要研究的问题.............................................................................. 2 第2章 GAMBIT与FLUENT软件的介绍 ........................................................... 4
2.1 GAMBIT软件简介 ........................................................................................ 4 2.2 FLUENT程序介绍 ........................................................................................ 4
2.2.1 FLUENT的基本作用 .......................................................................... 4 2.2.2 FLUENT可求解的问题 ...................................................................... 5 2.3 FLUENT中数学模型的方程 ........................................................................ 5
2.3.1流体的物性........................................................................................... 5 2.3.2迭代格式的选择及精度....................................................................... 6 2.3.3 控制方程.............................................................................................. 6 2.3.4湍流模型............................................................................................... 6 2.4 数值求解方法的选择.................................................................................... 8
2.4.1 有限差分法.......................................................................................... 8 2.4.2 有限容积法.......................................................................................... 8 2.4.3 有限元法.............................................................................................. 8 2.4.4 有限分析法.......................................................................................... 9
第3章 物理模型的建立........................................................................................ 10
3.1 提出假设...................................................................................................... 10
3.2 模型的参数.................................................................................................. 10 3.3．在GAMBIT中建立模型的过程 .............................................................. 10 3.4．网格的划分.................................................................................................11 3.5．边界条件的定义........................................................................................ 12 3.6．FLUENT的求解过程 ............................................................................... 12 第4章 数值模拟与结果分析................................................................................ 15
目 录 4.1圆形截面螺旋管数值模拟分析................................................................... 15
4.1.1 迭代残差曲线.................................................................................... 15 4.1.2 速度等值线........................................................................................ 18 4.1.3 温度分布云图.................................................................................... 22 4.1.4速度二次流矢量图............................................................................. 25 4.2螺旋管的摩擦阻力系数f ............................................................................ 28 4.3螺旋管的努系尔得数Nu ............................................................................. 29 结论............................................................................................................................ 31 致谢............................................................................................................................ 32 参考文献.................................................................................................................... 33
第1章 绪 论 第1章 绪 论
1.1 课题的背景与意义
1.1.1圆形螺旋管技术研究现状
螺旋管管内流体流型的研究：对单相流来说，管内流体的流型主要有层流和紊流；对多相流而言，管内的流型有多种划分，依据相的不同而不同。由于流型的确定并没有严格的定义，只是定义层流状态表现为液体质点的摩擦和变形，而紊流状态表现为液体质点的互相撞击和渗混，因此对流型的判别也产生了不同的方法。对直管内单相流的流型判别准则有雷诺数法、稳定性参数法、整体稳定性参数法等[1]。但工程上直管内单相流流态判别普遍使用的是临界雷诺数法则，习惯上取Re=2000作为判别标准。即认为Re<2000是层流，而Re>2000是紊流。
螺旋管内流体摩擦阻力与压降特性研究：流体在管内流动时，由于实际流体具有粘性，必然会产生阻力。按工程流体力学的分类，阻力分沿程阻力和局部阻力两大类。当流体在螺旋管内流动时，由于受到离心力的作用，会使流体在垂直主流方向沿管截面产生二次流，从而使其摩擦阻力比直管内要大得多。关于圆管内水力摩阻系数的计算现已有比较完善的经验公式。
1.1.2 课题提出的意义
在能源、动力、化工和石油等领域里螺旋管都得到了重要的应用，例如螺旋式换热器的到了广泛的应用已成为一种十分重要的换热设备。与直管式的换热器相比，螺旋管式蒸气发生器和换热器有一系列的优点：首先,，螺旋管是一种传热强化管，其传热性能优于直管；其次，螺旋管这种结构布置紧凑，在单位空间里具有更大的换热能力，有利于一体化布置；此外，螺旋管热膨胀自由，提高了设备的安全性和可靠性；而另一方面，螺旋管结构复杂，制造难度大。在核反应堆中，蒸气发生器是一、二次回路交界面，安全性要求极高，这就要求对螺旋管式蒸气发生器的传热和流动特性有充分的认识，以确保这种换热器的安全运行[2]。所以在此种情况下，对螺旋管传热特性的研究的提出也是极具意义的。由于两相流动与传热的复杂性对螺旋管内的两相的研究还不多。总的来说，国外已开展了较广泛的研究特别是以水-空气为工质的冷态试验和以水一蒸气为工质的中、低压试验研究。
1.2 对于螺旋管传热特性的研究现状
1.2.1 螺旋管的管内外传热特性的研究
流体在螺旋管内流动时，由于向心力的作用，流体从管中心部分由螺旋管
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东北电力大学本科毕业论文 内侧流向外侧壁面，因而造成了螺旋管内侧的低压区。在压差作用下， 流体从外侧沿着圆管的上部和下部壁面流回内侧[1]。这种流动是与管的轴向垂直的，也就是与流体的主体流动相垂直，称为Dean二次流。流体的这种二次流与轴向主流复合成螺旋式的前进运动。这样，对于流体的传热传质，不仅可依靠流体的径向扩散，还有径向二次流的作用，相当于边界层进行了破坏，增强了流体传质。同直管相比，螺旋管在单相和汽液双相换热中，均有更佳的传热特性，并具有空间利用率高、可自由膨胀及重心低等优点。因此，是一种具有良好应用前景的高效换热管圈[4]。螺旋管管外传热研究主要是螺旋管外膜状换热特性的实验研究；有空气存在时水平螺旋管外膜状凝结换热的实验研究；螺旋管外膜状冷凝换热特性的实验研究；水平螺旋管外V型槽强化冷凝传热的理论研究以及原油输运加热炉辐射室内螺旋管表面热强度理论研究等诸方面的内容[3]。
1.2.2 螺旋管强化换热与阻力特性的研究
大量的研究结果显示，螺旋管内二次流对层流换热的强化效果比较显著，与直管相比，其层流换热强化比高达2到4倍，而湍流换热强化比仅有1.1到1.3。依据应用对象的不同，螺旋管内换热过程既可以是单相的，也可以是两相的(沸腾或凝结)。对于螺旋管内的沸腾传热，研究结果表明，螺旋管的传热系数仅较直管增加了5%到15%[5]。较小的管内侧换热系数往往成为制约螺旋管换热器整体换热性能的薄弱环节，所以对螺旋管内单相和两相对流换热的强化研究十分必要
1.2.3螺旋管内湍流对流换热影响因素的的研究
在实际运行中，螺旋管换热设备大都免不了加热和冷却。在加热或冷却情况下, 由于浮力作用产生的自然对流必然会改变螺旋管内的流动结构，进而改变流体的换热性能。对螺旋管内有浮力影响的层流混合对流换热进行理论分析和实验研究的Yao.Berger[6]、Sillekens[7]等,他们都各自得到了层流时离心力和浮力相互影响的分区图。其中，Sillekens 的分析中引入了一个无因次准则数Gr / [Dn（1+ Pr）]来度量浮力驱动的二次流与离心力引起的二次流之间的相对关系，并且对螺旋管内的层流混合对流换热进行了数值分析和实验研究，然而对螺旋管内湍流混合对流换热的研究报道极少。
1.3 本课题主要研究的问题
目前，国内外大量的学者在从事着强化传热方面的技术研究，但是针对螺旋管研并不多见而且多数情况局限于实验研究。鉴于螺旋管优越的结构特性，高效的换热性，因此很有必要对不同结构螺旋管的各种性能进行深入研究，尤其宜采用数值模拟和物理实验相结合的方法。由于螺旋管结构的特殊性，给螺
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