复杂绕流动力特性及其传热耦合与强化机理研究

Heat transfer performance of a heat exchanger affects directly effective utilization of energy. Heat transfer surfaces consist of tube banks in many kinds of heat exchangers, and complicated crossflow pattern and dynamic characteristics affect notably performance of a heat exchanger. Basing on the preliminary research foundations, complicated crossflow pattern is studied, and effect factors are analyzed including tube support structure, tube type, geometric parameter and clearances. The distribution and variation principles for fluid flow field, velocity components, temperature field and heat flux on tube surfaces are reviewed, the locations and magnitudes of leakage in clearance and dead zone of heat transfer are analyzed, local and whole fluid dynamics characteristics among tube bank are obtained, and dynamics behavior of heat transfer tube and its effect on heat transfer are discussed. Evaluation and adjustion of affect factors on fluid dynamics characteristics for complicated crossflow are carried out. Coupling with characteristics of fluid flow and heat transfer, the mechanism of heat transfer enhancement is revealed by adopting the novel theory of heat transfer. Basic principles for comprehensive performance and efficiency augmentation are provided for heat exchangers with complicated crossflow in tube banks. The study would provide the theory and application technique for analyzing mechanism of heat transfer enhancement and developing heat transfer with higher efficiency. The study has both scientific significance and application values.

换热设备的传热性能直接关系到能源的有效利用，而许多换热设备的换热面均为由管束组成，管束间复杂绕流流动形态与传热特性显著影响着换热设备的传热性能。本项目拟在前期研究基础上，讨论管束支撑结构、换热管形式、几何尺寸以及配合间隙等因素影响，研究管束间复杂绕流形态、流体速度大小与方向变化与分布、速度分量之间的关系与变化、温度分布与管壁面热流密度分布规律、间隙漏流与传热死区的位置与大小、管束的受力振动特性及对传热的影响，分析流体在换热管束中的局部与整体的流体复杂绕流动力学特征，归纳总结管束间的流体复杂绕流动力学的影响因素及其调控与评价。分析复杂绕流流动与传热的耦合机制，采用传热新理论，研究其传热强化机制，探索建立含管束换热结构的换热设备的综合性能和提高传热效率的基本准则。本项目的实施将为复杂绕流传热强化机理与新型换热结构的设计提供原理与技术支持，具有重要的科学意义与应用价值。

换热设备在国民经济和工业生产领域中对产品质量、能量利用率以及系统的经济性和可靠性方面起着举足轻重的作用，换热设备的传热性能直接关系到能源的有效利用，对高能耗行业的经济效益具有直接影响，改进和提高换热器的性能及传热效率成为节能降耗的重要途径，将产生重要的经济和社会效益。.以管束间流体传热过程为基本特征的换热设备结构开发与优化受到广泛的重视。管束间流体流动形态与传热特性较为复杂，流体的动力学特性显著地影响着其传热性能。管束间流体流动与传热特性、传热强化机制的分析对于换热设备特性的传热过程研究、新型换热结构的开发与优化具有重要的理论与应用意义。本项目以分析管束间流体热力学特性与传热强化机制为目标，提出合理的假设与简化，恰当地运用对称及周期性等边界条件，建立管束、流道内流动与传热模型，研究流体的流体流动与传热特性。分析管束支撑结构、换热管形式、流道结构、几何尺寸以及配合间隙等因素影响，流体在换热管束中的局部与整体的流体动力学特征，研究管束间、流道内流体速度大小与方向变化与分布、速度分量之间的关系与变化、温度分布与管壁面热流密度分布规律、间隙漏流与传热死区的位置与大小、管束的受力振动特性及对传热的影响，归纳总结管束间的流体动力学的影响因素及其调控与评价。分析流体流动与传热的耦合机制，采用熵产最小、场协同和火积耗散等理论，研究其传热强化机制，探索建立含管束换热结构的换热设备的综合性能和提高传热效率的基本准则。.本项目的实施完善、丰富了管束间流体动力学与传热强化基本原理，为换热结构的优化与开发提供原理与技术支持，为高效换热设备的研究与发展提供技术与思路，具有重要的科学意义与应用价值。