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强化换热管流场与传热特性数值模拟研究

一、引言

（一）研究背景与意义

在现代工业领域，从能源动力、石油化工到食品医药，高效的热交换过程始终是确保生产流程稳定、提升能源利用效率的关键环节。换热管作为实现高效传热的核心器件，广泛应用于各类热交换设备中，其性能优劣直接关系到整个系统的能耗水平与运行成本。然而，换热管内部流场的复杂性为深入探究其传热特性带来了极大挑战。管内流体的流动状态受到多种因素的交织影响，如流体的入口流速、管道的几何形状与尺寸、管壁的粗糙度以及流体自身的物理性质等，这些因素相互耦合，使得管内流场呈现出高度复杂的特性，难以通过简单的理论分析或传统实验方法进行全面、精确的刻画。

传统实验方法在研究换热管流场与传热特性时存在诸多局限性。一方面，实验过程往往需要投入大量的人力、物力和时间成本，构建实验装置、准备实验材料、进行实验操作以及数据测量与分析等环节都需要精心安排和细致执行，这无疑增加了研究的经济负担和时间周期。另一方面，实验过程中可视化技术的应用受到诸多限制，难以全面、直观地展示管内流场的精细结构和动态变化过程，对于一些复杂的流场现象，如局部的漩涡、边界层的分离与再附着等，实验观察往往存在盲区，无法获取详尽的信息，从而限制了对传热机理的深入理解。

随着计算机技术和计算科学的飞速发展，计算流体力学（CFD）数值模拟技术应运而生，并逐渐成为解决复杂流体流动与传热问题的有力工具。CFD技术基于流体力学的基本守恒方程，通过数值离散化方法将连续的物理场转化为离散的代数方程组，利用计算机强大的计算能力求解这些方程组，从而获得流场中各物理量的分布信息。与传统实验方法相比，CFD数值模拟具有显著的优势。它能够突破实验条件的限制，对各种复杂工况进行模拟分析，无需实际构建实验装置，大大降低了研究成本和时间。同时，CFD模拟可以提供丰富的可视化结果，直观展示流场的速度分布、压力分布、温度分布等信息，帮助研究人员深入洞察管内流场与传热特性之间的内在联系，为换热管的优化设计提供精准的理论支撑。

通过CFD数值模拟，深入研究换热管内流场结构与传热特性之间的耦合关系，具有重要的现实意义和工程应用价值。准确揭示流速、管径、管道结构形式（如螺旋扭片、波纹管等）等关键参数对管内流场（速度分布、湍流强度）和传热特性（传热系数、热负荷）的影响规律，能够为换热管的优化设计提供科学依据。通过优化设计，可以有效提升工业换热设备的能效，降低能源损耗，减少生产成本，提高生产效率和产品质量，从而增强企业的市场竞争力。此外，这一研究还有助于推动相关领域的技术创新和发展，促进能源的高效利用和可持续发展，为实现工业绿色转型和节能减排目标做出积极贡献。

（二）研究目标与核心问题

本研究旨在建立一套全面、精准的多参数耦合换热管数值模拟体系，通过深入的数值模拟分析，系统地揭示流速、管径、结构形式等关键参数对管内流场和传热特性的影响规律，从而为换热管的优化设计提供坚实的理论基础和切实可行的指导方案。

在流速方面，不同的流速条件会导致管内流体呈现出不同的流动状态，从层流到湍流的转变过程中，流场的结构和特性会发生显著变化，进而对传热效率产生重要影响。研究流速对管内流场和传热特性的影响规律，有助于确定最佳的流速范围，以实现高效的传热过程。

管径作为换热管的重要几何参数，直接关系到流体的流动空间和流速分布。较大的管径可能导致流速降低，从而影响传热效率；而较小的管径虽然可以提高流速，但可能会增加流动阻力和能耗。因此，深入探究管径与管内流场和传热特性之间的关系，对于合理选择管径、优化换热管性能具有重要意义。

结构形式的多样化为换热管的强化传热提供了更多的可能性。螺旋扭片、波纹管等特殊结构形式能够改变管内流场的形态，增强流体的扰动和混合，从而提高传热系数。然而，不同的结构形式对流场和传热特性的影响机制较为复杂，需要通过细致的数值模拟进行深入研究，以明确各种结构形式的优势和适用条件。

围绕上述研究目标，本研究需要解决两个关键核心问题：一是流场结构如何量化影响传热效率。管内流场的速度分布、湍流强度等因素与传热效率之间存在着紧密的联系，但这种联系往往是非线性的，难以通过简单的理论分析进行准确量化。因此，需要借助CFD数值模拟技术，结合先进的数据分析方法，建立流场结构与传热效率之间的定量关系模型，从而为传热性能的预测和优化提供科学依据。二是如何通过参数优化实现传热性能最大化。在明确各参数对管内流场和传热特性影响规律的基础上，需要综合考虑多个参数之间的相互作用和制约关系，运用优化算法对这些参数进行协同优化，以寻求在给定条件下传热性能的最优解，实现换热管传热性能的最大化提升。

二、理论基础与研究方法

（一）数值模拟理论框架

数值模拟技术作为研究换热管流场与传热特性的重要手段，依托于坚实的理论