板翅换热器翅片热流动尺度解析模拟与仿生结构强化传热研究

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1、分类号：TK172单位代码：10183研究生学号：2015414019密级：公开吉林大学硕士学位论文(专业学位）板翅换热器翅片热流动尺度解析模拟与仿生结构强化传热研究ResearchonHeatFlowScale-ResolvingSimulationandHeatTransferEnhancementofBiomimeticStructureofPlate-finHeatExchanger作者姓名：李丽类别：工程硕士领域（方向）：机械工程指导教师：刘春宝教授企业导师：刘伟辉教授级高级工程师培养单位：机械科学与工程学院2018年6月板翅换热器翅片热流动尺度解析模拟与仿生结构强化传热研究

2、ＲｅｓｅａｈｏｎＨｅａｔＦ－ｒｃｌｏｗＳｃａｌｅＲｅｓｏｌｖｉｎｇＳｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄＨｅａｔＴｒａｎｓｆｅｒＥｎｈａｎｃｅｍｅｎｔｏｆＢｉｏｍｉｍｅｔｉｃＳｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＰ－ｌａｔｅｆｉｎＨｅａｔＥｘｃｈａｎｇｅｒ作者姓名：李丽领域：机械工程（方向）指导教师：刘春宝教授企业导师：刘伟辉教授级高级工程师类别：工程硕士培养单位：机械科学与工程学院答辩曰期：〇）以年／月彡曰未经本论文作者的书面授权，依法收存和保管本论文书面版本、电子版本的任何单位和个人，均不得对本论文的全部或部分内容进行任何形式的复制

3、、修改、发行、出租、改编等有碍作者著作权的商业性使用（但纯学术性使用不在此。应承担侵权的法律责任限）否则。，吉林大学博士或硕士）学位论文原创性声明（本人郑重声明：所呈交学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中己经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担学位论文作者签名：曰期：年月曰／摘要板翅换热器翅片热流动尺度解析模拟与仿生结构强化传热研究针对工业中应用最广泛的换热器强化传

4、热及减阻等问题，在吉林省科技厅重点科技攻关项目“扰流叶片仿生超疏水/超疏油、减阻多功能耦合设计与制备关键技术”的资助下，本文选用传热效率最高、体积最小的板翅换热器中的锯齿型板翅换热器作为研究对象，研究其换热过程的流动机理与换热性能的提升方法。本文利用计算流体动力学（CFD）数值模拟方法，对换热器内部热量交换过程中的复杂热流场进行尺度解析计算。然后，分析了热量传递的机理。融入仿生设计，利用生物优异的传热结构，对换热器翅片进行改进，为提升换热器的性能研究提供了一个新的解决方法。全文主要工作包括：1.尺度解析模拟计算方法研究本文从尺度解析模拟方法中选取DDES，SBES，DLES三种方法进行对比

5、分析。为减少选择模型的工作量，利用经典的后台阶流动算例对尺度解析方法进行评估，在计算时间和流动结构解析等方面对比DLES、DDES、SBES三个模型间的优缺点。在壁面摩擦系数图中，SBES模型比DDES、DLES模型曲线趋势更符合实验值曲线；在速度分布图和粒子轨迹图中，可以看出SBES和DLES模型对台阶后的回流区刻画地更完全；在湍动能图中，SBES和DLES模型比DDES模型描绘地更细致；在展现流场涡结构方面，SBES模型比其他两种模型展示的涡更清晰有序、不散乱。用SBES模型可以在所耗费计算时间最短的情况下，更好更准确的描述出后台阶流场内各物理场的性质，因此应用SBES湍流模型对换热器

6、热流场进行尺度解析计算。2.水蒸汽-空气介质的锯齿型板翅换热器数值模拟选择换热介质为水蒸汽-空气、型号为1/8-13.95的锯齿型板翅换热器进行换热过程的数值模拟。在CFD软件中，首先选用与试验中相同的SSTk-模型，选用PISO算法、二阶迎风空间离散格式、不可压缩流体、无滑移壁面等边界条件，并且计算域生成了高质量的六面体结构网格，将模拟得到的换热器换热性能参数与试验数据进行了比较，发现换热因子j的误差为5.10%，摩擦因子f的误I差为7.34%，证明可以采用数值模拟方法对换热器仿真计算，其计算结果对于模型的性能分析是有效且可靠的。选用SBES湍流模型，采用同样的网格和物理条件，对换热器

7、进行尺度解析模拟，得到的换热器换热性能参数与试验值对比，发现雷诺数Re=800时SBES模型的换热因子j与试验值间的偏差为6.2970%，摩擦因子f与试验值间的偏差为1.3196%。且从换热过程中流体流动结构图来看，SBES模型能更加详细地描绘流场结果，表明尺度解析SBES模型比SSTk-模型在计算换热时效果更好。3.油水介质的锯齿型板翅换热器SBES数值模拟为了拓宽锯齿型板翅换热器的应用范围，本文将换热器的工作介质变