基于纵向涡的倾斜折流片支撑多管束受限外流的传热强化机理和热流传输规律研究

The project will be carried out at the background of the energy saving and consumption reducing of heat transfer system in power plant. The mechanism of the heat transfer enhancement and the law of the thermal flow transfer for the confined external flow based on longitudinal vortex with multiple tube bundles supported by inclined baffles will be investigated by theoretical analysis，numerical simulation and experimental study. The engineering thermophysics problem which include multi-physical field coupling and nonlinear will be investigated. Based on the visualization experiment, the flow pattern of different model of the confined external flow based on longitudinal vortex will be mastered. By introducing the unique additional source item and coefficient of describing the basic physical conditions, a reliable and more realistic three-dimensional, nonlinear and fluid-solid coupling mathematical model should be established. Numerical simulations will be conducted based on the finite volume method and thermal network method. The effect of different structural and operating parameters of different mode on the synergistic of the temperature field and velocity field, heat transfer enhancement and power consumption will be anslyzed, and then an optimized model will be proposed. The measured data will be obtained by comprehensive experimental measurement, and the calculating method of the heat exchanger based on the the confined external flow with multiple tube bundles supported by inclined baffles will be proposed. The project will provides theoretical basis and reference for design optimization and practical application of novel heat exchanger with low power consumption in power plant.

本项目以电厂热量传递系统中的节能降耗为背景，采用理论分析、数值仿真和实验研究的方法，开展基于纵向涡的倾斜折流片支撑多管束受限外流的传热强化机理和热流传输规律的研究，深入探究其内部所蕴含的复杂的多物理场耦合和非线性的工程热物理问题。通过可视化实验研究，掌握各种基于纵向涡的受限外流的基本流型特征；引入体现独有现象的附加源项和描述基本物理条件的系数，建立可靠的更为符合实际的全三维、非线性、流固耦合的数理模型；利用建立的数理模型，基于有限容积方法开展数值仿真研究，分析不同操作参数和结构参数对其内部温度场和速度场、传热强化和泵功消耗的影响，进而提出优化模式；通过实验测试，提供实测数据，并在实验研究和数值仿真的基础上提出倾斜折流片支撑多管束受限外流的换热设备的计算方法。研究成果可为电厂低功耗换热设备的优化设计与实际应用提供理论基础和参考依据。

管壳式换热器是工业生产领域重要的热量交换设备，提高换热器性能可有效降低生产过程中的能源消耗，提高生产效率。因此，优化换热器内流场结构，研究换热器内部换热性能和流动特性具有重要意义。常用的弓形折流板换热器壳程受限外流流动死区大，压降高，泵功消耗大。.鉴于此，本项目以热量传递系统中的节能降耗为背景，提出新型斜折流片支撑多管束结构，通过理论分析、数值仿真和实验测试，进行了斜折流片支撑多管束受限外流的传热强化机理和热流传输规律的研究。所完成的相关内容主要包括：进行了基于流路网路系统的理论基础和计算方法研究；建立和完善了实验测试系统并实际生产了基于斜折流片支撑多管束结构的换热元件；针对斜折流片支撑多管束受限外流结构，开展了不同操作参数和结构参数下的强化传热机理和热流性能的研究；基于斜折流片支撑多管束受限外流，开发了相关高效换热设备。 . 通过三年多的研究，完成了计划任务，目前已发表论文11篇，被SCI收录2篇次，EI收录3篇次；申请中国发明专利3项；培养研究生已毕业4人，在读12人。通过本项目研究，获得了斜折流片支撑多管束结构内部详细流动结构、温度场、传热和阻力性能，认识了其内部复杂的流动与传热基本规律。研究结果表明：斜百叶片支撑多管束受限外流流场分布均匀，流动死区小；与传统弓形折流板支撑多管束受限外流相比，压降减小10% ~ 46%，功耗大大降低；相同压降下的传热系数比弓形折流板支撑多管束受限外流最大可提高8% ~ 51%；提出了基于斜折流片支撑多管束受限外流的百叶形折流板固定管板式换热器和双壳程螺旋斜百叶折流板管壳式换热器，并申请中国发明专利。. 研究成果可为低功耗换热设备的优化设计与实际应用提供理论基础和参考依据。基于本项目研究所开发的低功耗设备可应用于能源动力等行业，取得显著节能效果, 为换热系统节能做贡献。