列管式换热器流体诱导振动强化传热机理研究

流体诱导振动作为一种强化传热技术已引起广泛关注，但诱导振动对换热设备传热表面流场和积垢的作用机理迄今还不清晰。本项目拟用理论分析、数值模拟和实验研究相结合的方法，对流体诱导振动强化传热机理开展研究。主要内容有：1)流场与换热管振动的耦合机理。采用有限体积法和双向耦合模型，应用计算流体力学软件计算换热器流场；应用粒子动态分析仪和振动分析仪对流场及换热管振动进行测试，综合分析换热管振动与表面流场的耦合机理；2）传热管壁面流场结构对积垢过程的影响规律。在流场分析与实验测试基础上，研究流场中悬浮物浓度分布及传质特性，结合悬浮物沉积准则方程式，寻求抑制积垢形成的流场结构，并建立污垢净生长率的经验关系式；3)流体诱导振动传热强化机理。在分析计算换热器流场和温度场计算基础上，对照实验结果，研究流体诱导振动强化传热的机理。

流体诱导振动作为一种强化传热技术已引起广泛关注,但诱导振动对换热设备传热表面流场和积垢的作用机理迄今还不清晰。本项目采用理论分析、数值模拟和实验研究相结合的方法，对流体诱导振动强化传热机理开展研究。1）本课题采用污垢热阻法实验测量和数值模拟相结合的方法研究壁面流场结构对传热管壁面污垢生长规律的影响，研究结果表明脉动流引起换热管壁面剪切应力的变化，加速污垢的剥离，具有显著的抑垢效果，随着频率的增大，阻垢效果增强。污垢热阻最大可降低25%，间接产生强化传热效果。2）通过数值模拟和实验研究等方法进行脉动流和强化换热管共同作用下的强化传热特性研究，脉动流引起传热管内凸或外凹部位明显有漩涡的生成，加剧了冷热流体沿径向的混合，产生强化传热效果。且强化传热效果与脉动流参数及换热管结构型式密切相关，波节管强化传热系数最大可提高83%，横纹管最大为80%，螺旋槽管为61%。3）揭示壁面振动与流场耦合条件下的强化传热机理。壁面振动产生二次流，改善了换热管周围流体速度场与温度场的协同关系，产生强化传热效果；4)数值模拟脉动流绕过方柱引起的流场变化和强化传热特性。脉动流绕过方柱后产生锁定现象，引起阻力系数相较稳定流工况提高50%，强化传热性能最大增加15%。5）采用数值模拟方法研究折流板开孔对管壳式换热器壳程流动与传热性能的影响。折流板开孔后能够形成垂直于折流板的射流，对流动死区有明显改善作用。折流板开孔后，壳程压降有较大的降幅，同时传热系数也有降低，但降低幅度远远小于降低幅度。在等换热面积和等压降情况下，折流板开孔冷却器传热系数可以提高22%。6）研制出一套利用脉动流强化传热技术的强化传热、阻垢和自动节水装置。本项目研究为流体诱导振动强化传热技术的深入发展和应用提供有力支持。