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换热管内转子旋向对自清洁与强化传热影响研究
换热管内转子旋向对自清洁与强化传热影响研究
摘要：本文主要研究换热管内转子旋向对自清洁与强化传热的影响。通过实验和数值模拟，发现换热管内转子的旋向可以显著影响管内流动结构，从而影响传热效果。本文探讨了转子旋向对管内壁面温度分布、壁面压力分布、换热系数等参数的影响，并分析了这些影响的机理。研究结果表明，在一定范围内，通过改变转子旋向，可以有效提高换热效果和自清洁能力，同时减少能耗。
关键词：换热管，转子旋向，自清洁，强化传热，数值模拟
1.引言
换热是许多工程中常用的一种传热方式，其重要性不言而喻。传统换热器一般由许多平板或圆管组成，在传热效率和清洁度方面存在一定问题。为了解决这些问题，研究人员开始探索利用旋转构件来增强换热器传热效率和自清洁能力。旋转构件通常被安置在圆管内，其中转子作为主要的旋转构件之一，可以在管内旋转，同时产生强烈的涡流和湍流，从而增强传热效果和自清洁能力。
虽然许多研究已经证明了旋转构件可以提高换热效果和自清洁能力，但对于旋转方向的影响却比较缺乏分析。一般来说，转子的旋转方向可以是正向（与流体同向）或反向（与流体相反）。因此，本文旨在研究不同旋转方向对于自清洁与传热的影响。
2.实验和数值模拟
2.1实验
本研究设计了一组实验，用以研究转子旋向对自清洁与传热的影响。实验装置如图1所示，由一根内径为15mm的圆管和一个转子组成。转子由磁力驱动，在管内不断旋转，产生强烈的湍流和涡流。实验采用了不同旋转方向下的三种流量，每种流量重复三次测量，并统计了实验数据，得出传热系数。
图1实验装置示意图
2.2数值模拟
本研究采用CFD模拟对转子旋向对自清洁与传热的影响进行了模拟。首先，采用ANSYSFluent软件建立了一个三维数值模型。模拟过程中，设置了流体的物理属性、边界条件、数值方法和模型参数。模型的计算大小为20mm×100mm×20mm，网格共400,000个。
3.结果与讨论
在本研究中，我们研究了转子旋向对自清洁与传热的影响，并探究了这些影响的机理。下面我们将分别分析实验和数值模拟结果。
3.1实验结果
如图2所示，同一流量下，反向旋转的转子可以显著提高传热系数。例如，在30ml/min流量下，反向旋转时传热系数提高了30%左右。这是由于反向旋转时转子所产生的涡流比正向旋转更加强烈，可以把较强的湍流颗粒挤向管壁，从而增加了壁面与流体之间的传热热流。
同时，反向旋转转子也能显著提高自清洁能力。如图3所示，在同一流量下，反向旋转时壁面污秽物质的去除效果更加明显，即壁面污秽物质容易附着在旋转转子表面然后被带到管底。
图2不同流量下转子旋向对传热系数的影响
图3不同流量下转子旋向对壁面自清洁效果的影响
3.2数值模拟结果
数值模拟结果显示，反向旋转时在管内产生的涡流比正向旋转更加强烈，这是增加传热的重要原因。同时，我们还发现，反向旋转时，管内的温度分布更加均匀，如图4所示。这主要是由于反向旋转时涡流分散了流体中的湍流能量，从而提高了热能的扩散速度，使得温度在管内的分布更加均匀。
另一方面，反向旋转时，管内压力分布也有所改变。图5显示了转子反向旋转与正向旋转时在流场中的静压降。在转子反向旋转时，流体静压降低，压缩区水平展开，使流体减速并增加了能量传输，从而提高传热效果。
图4转子反向旋转与正向旋转时温度分布的比较
图5转子反向旋转与正向旋转时流场中的静压降
4.结论
通过实验和数值模拟，本研究证明了转子旋向对自清洁与传热的影响。在一定范围内，通过改变转子旋向可以显著提高传热效果和自清洁能力，同时减少能耗。研究结果可以提供新的思路和方向，为高效换热技术的研究和应用提供了实验依据。