内置自旋弹簧换热管工作特性研究及管内液轮机流场分析
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摘要
本文对内置自旋弹簧换热管工作特性进行了试验研究并应用有限元数值计算方法对换热管内液轮机流场进行了模拟分析。首先设计了九种具有不同结构参数的弹簧试件，采用试验方法研究换热管内置入自旋弹簧的转动特性和流体阻力特性以及强化传热性能；通过对多组试验结果的比较分析，得出了无量纲参数D_1／S、D_1／D_0对换热管内自旋弹簧的转动特性和流体阻力特性的影响规律，并在大量试验数据的基础上归纳出一个换热管内自旋弹簧工作性能的综合评判准则——Lz准数。接下来提出了一种应用Matlab非线性回归分析与Wilson图解法修正相结合的数据处理新方法，用以由传热试验数据推求出换热管内流体给热系数关联式。
本文还采用了大型有限元分析软件ANSYS／FLOTRAN CFD模拟置入微型液轮机后换热管内流场的速度分布和压力分布情况，得出的结果与试验研究结果相符，验证了该方法的可靠性和关于微型液轮机的动力学研究成果。分析结果表明，利用有限元法来计算液轮机流场的流体阻力降的结果是可信，可以利用该方法预测换热管内液轮机流场的分布甚至可以代替部分试验。
Lz准数的归纳提出、Matlab非线性回归分析与Wislon图解法修正相结合的数据处理新方法的提出应用以及采用ANSYS有限元数值模拟探讨换热管内微型液轮机的流动问题是本文的创新点和亮点。本文所做的这些工作，可以为同类内插件的继续深入研究及工业生产应用提供有价值的参考。通过对内置自旋弹簧换热管工作特性的研究和管内液轮机流场的分析，有助于提高换热管的强化传热效果，对节能、降耗和环保等具有重要意义。
In this paper, an experimental investigation on the working characteristics of built-in rotatable spring heat exchanger tube is conducted and applying finite element numerical simulation method the flow field of miniature hydraulic turbine inside heat exchanger tube is analyzed.
Firstly, nine springs with different construction parameter are designed to the experiment for investigating the rotation performance, flow and heat transfer characteristics of heat exchanger tube with rotatable spring inserted. According to lots of experimental results, it is found that the number D1/S and D1/D0 have an effect on the rotation performances and flow resistance characteristics of the rotatable spring in the heat exchanger tube, and the influence regulation is acquired from the comparison and analysis. Based on large quantity experiment data, the working performance criterion of rotatable spring is generalized. And then a mean that ascertains the relating equation of the convection heat transfer coefficient in the heat exchanger tube with Matlab nonlinear regress and Wilson method is brought forward.
The thesis also simulates the distributing of velocity and pressure of the flow field of miniature hydraulic turbine inside heat exchanger tube with ANSYS software. The ANSYS computational solution accords with the experiment result, which proves that the numerical simulation method is reliable and the dynamics research production is right. The result of analysis shows that the flow resistance computed by finite element method is credible, then the method can be used to forecast the distributing of flow field of miniature hydraulic turbine inside heat exchanger tube moreover substitute parts of experiment.
The work of this paper will be useful to the same kinds of inserts' continuative in-depth study and the application in the industry. The investigation on the working characteristics of built-in rotatable spring heat exchanger tube and the analysis of the
flow field of miniature hydraulic turbine inside heat exchanger tube are contribute to the improvement of enhanced heat transfer, which has great significance to energy saving, consumption drop and environmental protection.
本文还采用了大型有限元分析软件ANSYS／FLOTRAN CFD模拟置入微型液轮机后换热管内流场的速度分布和压力分布情况，得出的结果与试验研究结果相符，验证了该方法的可靠性和关于微型液轮机的动力学研究成果。分析结果表明，利用有限元法来计算液轮机流场的流体阻力降的结果是可信，可以利用该方法预测换热管内液轮机流场的分布甚至可以代替部分试验。
Lz准数的归纳提出、Matlab非线性回归分析与Wislon图解法修正相结合的数据处理新方法的提出应用以及采用ANSYS有限元数值模拟探讨换热管内微型液轮机的流动问题是本文的创新点和亮点。本文所做的这些工作，可以为同类内插件的继续深入研究及工业生产应用提供有价值的参考。通过对内置自旋弹簧换热管工作特性的研究和管内液轮机流场的分析，有助于提高换热管的强化传热效果，对节能、降耗和环保等具有重要意义。
In this paper, an experimental investigation on the working characteristics of built-in rotatable spring heat exchanger tube is conducted and applying finite element numerical simulation method the flow field of miniature hydraulic turbine inside heat exchanger tube is analyzed.
Firstly, nine springs with different construction parameter are designed to the experiment for investigating the rotation performance, flow and heat transfer characteristics of heat exchanger tube with rotatable spring inserted. According to lots of experimental results, it is found that the number D1/S and D1/D0 have an effect on the rotation performances and flow resistance characteristics of the rotatable spring in the heat exchanger tube, and the influence regulation is acquired from the comparison and analysis. Based on large quantity experiment data, the working performance criterion of rotatable spring is generalized. And then a mean that ascertains the relating equation of the convection heat transfer coefficient in the heat exchanger tube with Matlab nonlinear regress and Wilson method is brought forward.
The thesis also simulates the distributing of velocity and pressure of the flow field of miniature hydraulic turbine inside heat exchanger tube with ANSYS software. The ANSYS computational solution accords with the experiment result, which proves that the numerical simulation method is reliable and the dynamics research production is right. The result of analysis shows that the flow resistance computed by finite element method is credible, then the method can be used to forecast the distributing of flow field of miniature hydraulic turbine inside heat exchanger tube moreover substitute parts of experiment.
The work of this paper will be useful to the same kinds of inserts' continuative in-depth study and the application in the industry. The investigation on the working characteristics of built-in rotatable spring heat exchanger tube and the analysis of the
flow field of miniature hydraulic turbine inside heat exchanger tube are contribute to the improvement of enhanced heat transfer, which has great significance to energy saving, consumption drop and environmental protection.
引文
[1] 王璋保，能源节约的现代含意[J]，工业炉，2000，4，10～15
[2] 阎皓峰，甘永平，新型换热器及传热强化，宇航出版社，1991
[3] 陈海辉，旋转填料床流体力学及传质传热特性研究，华南理工大学工学博士学位论文，1999年5月，广州：4-5
[4] P.A.Pilavachi, Heat Recocery system and CHP, 1989 Vol.9, No. 5, 411～419
[5] 顾维藻等，强化传热，北京，科学出版社，1990
[6] 勒明聪等，换热器，重庆，重庆大学出版社，1987，23
[7] Bergles A. E., Heat Transfer, 1988, 1037-1045
[8] 邓颂九，提高管壳式换热器传热性能的途径，化学工程，1992，20(2)，30～36
[9] Bergles E., Application of heat transfer augmentation, New York, Hemisphere Pub Co, 1981
[10] Ralph L.W., Principles of enhanced heat transfer, New York, Hemisphere Pub Co, 1995
[11] Keene L.W., Davies T.W., Gibbons D.B., Flow distribution on the shell-side of a shell and tube heat exchanger, Trans. IchemE, 1993, 71(5), 301～311
[12] 李春兰等，螺纹管和翅片管传热性能分析及应用，石油化工设备，1997(6)，39～41
[13] 吴慧英等，凝结换热器采用螺旋槽管的强化传热研究，化工学报，1997(5)，626～629
[14] 苏平，渗铝螺旋槽管制造中的几个工艺问题，化工装备技术，1997(6)，25～26
[15] 高莉萍等，高效换热器发展动态及其应用[J]，石油化工设备技术，1995(3)，12～13
[16] 刘吉普等，横纹槽管滚轧加工及强度分析，化工装备技术，1998，(3)，26～28
[17] 邓颂九，提高管壳式换热器传热性能的途径，化学工程，1992(2)，30～36
[18] 周明霞，国内外换热器技术进展，压力容器[J]，1995(1)，19～23
[19] 张平亮，新型高效换热器的技术进展及其应用[J]，压力容器，1997(2)，146～152
[20] 钱伯章，无相变液——液换热设备的优化设计和强化技术(I)[J]，化工机械，1996，23(3)，169～174．
[21] 王建军等，内波纹螺纹管换热器的研制及应用[J]，压力容器，1995(12)，19～23
[22] 恩勒，内波纹螺纹管传热性能及流体阻力的研究，化学工程，1990，18(6)，40～42
[23] 钟理等，国外强化传热技术的研究与进展，化工进展，1993(4)，1～5
[24] 罗棣罨，尤先先，高效强化换热技术——大空隙率绕花丝多孔体[J]，压力容器，1995(1)，24～32
[25] 杜吉宾，胡全明，新型强化换热器的性能分析[J]，石油化工设备技术，1995(3)，18～20
[26] Rajiv Mukherjee, Bwoaden your heat exchanger design skills, CEP 1998, 40(3), 35～47
[27] 张凯等，新型高效波节管换热器，压力容器，1994，11(4)，77～78
[28] 姚仲鹏，杨英俊，王化生．旋流管式机油冷却器的研究，内燃机工程，1994(1)，30～33
[29] 张正国等，花瓣形翅片管的强化传热研究概况，石油化工设备，1997(4)，11～14
[30] 曹纬，国外换热器新进展，石油化工设备，1999(3)，7～9
[31] 崔海亭，强化型管壳式热交换器研究进展，化工装备技术，1999(4)，25～27
[32] 王乐龙，马晓驰，丘锋，折流杆换热器在压缩机级间冷却上的应用[J]，化工机械，1996(4)，223～225
[33] 冯志力等，内导流筒折流杆换热器可行性研究，石油化工设备，2000(4)，1～3
[34] 李海东，计算流体力学正在蓬勃发展中，科技导报，1997(12)，30～31
[35] 陶文铨，数值传热学，西安，西安交通大学出版社，1988
[36] 郭宽良，孔详谦等，计算传热学，合肥，中国科学经济技术大学出版社，1988
[37] Bariua, S.N, Secondary Flow in a Rotating Straight Pipe, Proc, Roc.Roy.Soc.A., 1955, Vol.227, 133～139
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[42] 苏金明，阮沈勇，Matlab6.1实用指南(上册)，北京，电子工业出版社，2002，357～358
[43] 苏金明，阮沈勇，Matlab6.1实用指南(下册)，北京，电子工业出版社，2002，362～403
[44] 厉玉鸣，化工仪表及自动化，北京，化学工业出版社，1999，78～85
[45] 戴锅生，传热学(第二版)，北京，高等教育出版社，1999，304～305
[46] 张志涌，精通Matlab6.5版，北京，北京航空航天大学出版社，2003，149～157
[47] 张智星，Matlab程序设计与应用，北京，清华大学出版社，2002
[48] 罗惕乾，程兆雪等，流体力学，北京，机械工业出版社，1999，253～276
[49] 王勖成，邵敏，有限单元法基本原理和数值方法，第2版，北京，清华大学出版社，1997，1～36
[50] [美]S．S．劳尔著，傅子智 译，工程中的有限元法，北京，科学出版社，1991，1～27
[51] 谭建国，使用ANSYS 6.0进行有限元分析，北京，北京大学出版社，2002
[52] 朱志彬，翟丽华，李健等，ANSYS在化工机械设计中的应用，装备制造技术，2004(1)．16～20
[53] ANSYS, Inc. ANSYS CFD FLOTRAN Analysis Guide, rease5. 7.2000
[54] ANSYS Inc., ANSYS流体动力学培训手册，北京，美国ANSYS公司北京办事处，2001
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[57] Jones, W.R, and Launder, B.E., The Prediction of Laminarization with a Two-Equation Model of Turbulence, International Journal of Heat and Mass Transfe, 1972, 15, 301～314
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[60] Wang, Y.L., Prediction of Duct Flows with a Pressure-Based Procedure, Numerical Heat Transfer, PartA: APPlications, 1998, 33(7), 723～748
[61] ANSYS Inc．，APDL使用指南，北京，美国ANSYS公司北京办事处，2001
[62] 博嘉科技，有限元分析软件—ANSYS融会与贯通，北京，中国水利水电出版社，2002，333～367
[63] 林榕端，林清宇等，换热管内微型液轮机研究，机械工程学报，2001，V37(7)，41～43
[64] 翟丽华，内置微型液轮机换热管工作特性研究，广西大学硕士论文，2004．4，50～51
[65] 张江徽，插入件异型钢管换热器传热及优化的试验研究，节能，1997(3)，5～10
[66] 翟丽华，朱志彬，董美英等，内置液轮机换热管的换热研究，装备制造技术，2004(1)，13～15
[67] ANSYS Inc．，ANSYS耦合场分析指南，北京，美国ANSYS公司北京办事处，2000
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