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固壁轴向导热对微小管内对流换热影响的实验研究
【摘要】：随着微加工技术和MEMS技术的快速发展,当量直径在微米/毫米量级的微细、微小通道在现代工业中被广泛使用,微细/微小管内的对流换热成为当前重要的研究课题之一。由于微加工技术的限制,微细管的壁厚相对于管内径而言较大,常规尺度下被忽略的固壁轴向导热对管内对流换热的影响,在微尺度下需要给以充分的重视。
本文采用实验研究和数值分析相结合的方法,研究了固壁导热对微细管内对流换热的影响。实验采用内径为924 和952 的厚壁不锈钢圆管作为实验管,其外内径之比分别为2.1和2.4。通过对不锈钢管进行直接通电加热产生均匀内热源的方式,实验研究了以去离子水为工质的管内不可压层流换热。当采用文献中常用的算术温差法整理数据求总传热系数时,结果与常规认识一致;当采用忽略固壁轴向导热影响的一维热阻模型整理实验数据时,扣除固壁导热热阻后获得的努谢尔数明显与常规尺度下的理论预测值不同。
论文采用FLUENT通用软件对实验工况下的管内对流换热与固壁导热的耦合问题进行了数值模拟。表明管内换热已经进入充分发展阶段,用壁温与当地流体的截面平均温度之差定义换热系数获得的努谢尔数接近4.36, 与常规尺度下等热流边界时的努谢尔数相近。但用忽略管壁轴向导热的一维热阻模型整理数据时,努谢尔数明显大于4.36, 且并且随雷诺数的增大而增大。
研究结果表明,管壁轴向导热的作用与大尺度下厚壁管的对流与导热耦合问题相同,采用忽略固壁轴向导热影响的一维热阻模型整理微细/微小管内对流换热可获得偏离常规尺度下理论预测的努谢尔数,取决于条件的不同,所得出的努谢尔数既可大于(固壁有均匀内热源)也可小于(外壁为等温或对流条件)常规尺度下的理论预测值,且随雷诺数的增大而增大,但不能称为微尺度对流换热的新现象。
【关键词】：
【学位授予单位】：清华大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2004【分类号】：TK124【目录】：
中文摘要2-3
ABSTRACT3-7
第1章 引 言7-16
1.1 研究背景7-8
1.1.1 MEMS技术7-8
1.1.2 微尺度生物检测技术8
1.2 微细通道内流动及换热的研究现状8-14
1.2.1 微细通道内单相不可压缩流动实验研究综述9-10
1.2.2 微细通道内对流换热实验研究综述10-14
1.3 固壁轴向导热对管内对流换热的影响14-15
1.4 本文研究内容15-16
第2章 实验系统和实验方法16-31
2.1 实验装置简介16-17
2.2 实验系统组成及测试仪表17-21
2.3 实验段21-27
2.3.1 密封方法22
2.3.2 微管连接方式22
2.3.3 管径及管内壁粗糙度测量22-27
2.4 控制与采集系统27-28
2.5 实验方法28-30
2.5.1 流量测量及压力监控28-29
2.5.2 加热方法29
2.5.3 温度测量29-30
2.5.4 其它注意事项30
2.6 实验条件与实验步骤30-31
第3章 实验结果分析与讨论31-43
3.1 实验数据处理方法31-35
3.1.1 热平衡核算31-32
3.1.2 Nu的计算方法32-35
3.1.2.1 算术温差法32-33
3.1.2.2 一维热阻模型33-35
3.2 实验结果与分析35-40
3.2.1 总传热系数35-38
3.2.2 基于一维热阻模型的管内对流换热Nu38-40
3.3 实验结果的不确定度分析40-41
3.4 小结41-43
第4章 固壁导热对管内对流换热影响的数值模拟43-50
4.1 数值计算模型43-45
4.1.1 物理模型与基本假设43-44
4.1.2 控制方程与边界条件44-45
4.1.3 模型验证45
4.2 计算结果与讨论45-48
4.2.1 数值模拟结果46-47
4.2.2 固壁导热对微细管内对流换热的影响47-48
4.3 小结48-50
第5章 结 论50-51
参考文献51-54
附录1 数据采集转换程序54-55
附录2 数据整理程序55-58
欢迎：、、)
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土壤源热泵单U型垂直埋管换热器的传热研究和设计计算研究.pdf 91页
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硕士学位论文
土壤源热泵单U型垂直埋管换热器的传热研究和设计计算
姓名：蒋建龙
申请学位级别：硕士
专业：市政工程
指导教师：俞亚南
地源热泵空调系统利用大地作为冷热源，通过中间介质在埋设于地下的封闭
环路中循环流动，与大地进行热量交换，进而由热泵实现对建筑物的空调。与传
统空调方式比较，地源热泵空调系统利用可再生能源，具有节能和环保的特点。
它在欧美己有数十年的历史，近年来在中国受到广泛关注，并己开始得到应用。
但是有关地热换热器的传热研究以及设计计算等方面的研究还很不完善，也缺乏
相应的规范，这在很大程度上制约了地源热泵的应用。
为了能够更好地分析地热换热器的传热过程、更好地将地热换热器与热泵机
组匹配耦合起来，以便于设计合理、有效的地热换热器。本文在分析了现有传热
模型局限性的基础上，通过钻孔壁将地热换热器的传热模型分为两部分：钻孔外
的传热模型和钻孔内的传热模型。钻孔外的模型是在目前比较先进的有限长线源
模型的基础上考虑了钻孔直径、远端半径和地面这一边界条件，建立了有限长柱
源模型，弥补了线源模型和有限长线源模型的先天不足，使传热模型与实际更相
符。钻孔内的模型采用目前比较先进的哈工大的准三维传热模型。应用分离变量
法、格林函数法以及拉普拉斯变换法分别对钻孔外、内模型进行了解析求解，并
应用有限元模拟出温度场，验证理论解的可靠性。
本文的目的是为了能够设计出合理、有效的地热换热器。那么，地热换热器
的传热研究必须和热泵机组的运行状况耦合起来。换热器内介质出口温度正是热
泵机组冷凝端介质的进口温度，正是通过这一纽带，本文对地热换热器的设计计
算编制了程序，为地热换热器的设计提供了依据。
地源热泵在我国是一个新兴的科学研究领域，节能、环保、美化环境，有着
广阔的发展前景，存在着广阔的空间，值得我们进一步的研究和试验。
关键词：地源热泵地热换热器节能环保传热研究设计计算
Groundsourceheat
pump(GSHP)airconditioningsystems
transferbetweenthe
soil aheat
source／sink，achieve
orantifreeze
workingfluid(water
inadosedburiedinthe
tootherconventional
ground．Compared
sourceheat
alternatives，the
pumpsystem
renewable boaststhefeaturesof
theenvironment
energy,and
protecting
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