非对称人字形波纹板式换热器自激振荡流动与强化换热机理研究

Heat exchangers have been developed toward high-efficient and compacted by application of heat transfer enhancement technology. At present, researching on heat transfer enhancement technology for plate heat exchanger mainly investigates steady flow and heat transfer characteristic. However, the heat transfer enhancement mechanism and effect factors induced by self-sustained oscillatory flow haven’t been deep excavated. Considering the self-sustained oscillatory flow characteristic in asymmetrical chevron type plate, the heat transfer enhancement mechanism of self-sustained oscillatory flow is investigated by combining experimental and theory analysis. Embedded distribution function of physical property change with various temperature and pressure, transient Large Eddy Simulation (LES) model has been constructed. Experimental method is used to verify the LES model. Based on this model, the distribution law of time averaged and pulsating quantity wall surface characteristic numbers will be investigated. Empirical correlation for the wall surface characteristic numbers will be constructed. The evolution principle of vortex structure and the phenomenon of “analogous oscillation” will be investigated to reveal the heat transfer enhancement mechanism of self-sustained oscillatory flow. The critical Reynolds number will be tracked when flow regime transits from laminar to self-sustained oscillatory flow. The assessment criteria producing self-sustained oscillatory in wave cavity will be obtained. The optimization design is investigated by Kriging and Micro Genetic Algorithm (MGA) to obtain optimal structure of different working condition. Our research works aim to clarify the heat transfer enhancement mechanism induced by self-sustained oscillatory flow, this possesses important theory meaning for optimal design and application of high efficient heat exchanger.

强化换热技术的应用使得换热器逐渐向高效型、紧凑型发展。目前，针对板式换热器强化换热技术的研究，普遍考察稳态的流动与传热特性，而未深入研究流体弹性激励下振荡强化换热机理和影响因素。本申请以非对称人字形波纹板为研究对象，针对板间波纹驱动所产生的自激振荡流动特征，结合实验和理论进行振荡强化换热机理研究。嵌入介质物性随温度和压力的变化的分布函数，建立瞬态大涡模拟(LES)数值模型，并采用实验方法验证模型的精确性。基于该模型进行时均和脉动壁表面特征数分布规律的研究，并建立壁表面特征数的经验关联式；进行涡结构演化规律及“类振荡”现象的研究，揭示振荡流强化换热机理；追踪层流向自激振荡流过渡时的临界雷诺数，获得波纹腔体内产生自激振荡的评价指标；采用克里金结合微遗传算法进行优化设计研究，获得不同工况下的最优结构。本课题旨在阐明振荡流作用下的强化换热机制，对于高效换热器的优化设计与应用具有重要的理论意义。

强化换热技术广泛应用于石油、化工、电力、冶金、船舶、机械、供暖、食品和制冷等领域中。波纹通道换热器作为工业领域的重要设备，其强化换热技术的应用使得传统的换热器逐渐向高效型、紧凑型发展，并且衍生出丰富的结构类型。各类波纹通道的开发是高效换热器的核心技术，能够有效的提高设备传热效率、减小设备尺寸以及降低其成本。深入研究其流动和传热的内在机理和规律对换热装备的设计、优化有着重要的实际意义。.非对称型波纹通道是一种新型的高效换热元件，是将传统的对称型波纹通道进行改进提出的。本文针对非对称型波纹通道的流动与传热性能，自激振荡强化换热机理以及优化设计方法进行了深入研究，具体研究内容如下：.（1）瞬态湍流数值模型的建立及对比验证.本项目建立了瞬态湍流数值模型，并且将数值模型与前人的试验结果进行了比较，用于验证了本项目所采用数值模型的准确性。.（2）对称型和非对称型波纹通道壁表面特征数分布规律的研究.本项目基于所建立的数值模型，考察了不同流动和结构参数下（雷诺数、波纹间距，波纹高度，波谷半径等）针对对称型和非对称型波纹通道的平均及局部壁表面特征数的分布规律进行了研究，分析了其传热性能、阻力性能以及综合传热性能。.（3）对称型和非对称型波纹通道流动与传热机理研究.本项目基于所建立的数值模型，考察了不同流动和结构参数下对称型和非对称型波纹通道整体流动和传热参数的空间分布规律，然后对内部横向剖面的流动与传热参数的局部分布规律进行了剖析。瞬态分析中针对波纹通道的流动、传热参数的演化规律进行了系统的研究，分析了一个周期内流型、温度场和湍动能场的演化规律。.（4）非对称型波纹通道传热性能的实验研究.本项目进行了非对称型波纹通道不同结构参数和介质参数下的传热性能、阻力性能和综合传热性能的变化规律进行试验研究。.（5）非对称型波纹通道的结构优化设计研究.本项目采进行了非对称型波纹通道进行多目标函数优化设计研究。考察进气参数、波纹结构参数量化组合及交互作用对性能指标的影响。对各影响因子进行显著性评价，进行重要影响因子与性能指标的关联分析，获取约束条件下的最优综合传热性能，进而获得流阻和传热最佳匹配下的最优结构。. 该项目的研究对深入理解波纹通道内的强化换热机理，以及波纹通道换热器的设计具有重要的理论指导意义。

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