《先進傳熱強化理論及機理研究》是依託華中科技大學，由劉偉擔任項目負責人的重點項目。
基本介紹
- 中文名：先進傳熱強化理論及機理研究
- 項目類別：重點項目
- 項目負責人：劉偉
- 依託單位：華中科技大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
換熱設備節能的關鍵是提高換熱器的傳熱係數，降低輸送流體所消耗的功率，同時，減小換熱器體積，減輕重量和金屬消耗，其中，關鍵是提高換熱器的綜合性能，解決強化換熱和流體功耗之間的矛盾。儘管強化傳熱技術近二十年來得到了快速發展和廣泛套用，但相關文獻報導多為經驗或半經驗研究，強化傳熱的理論研究相對滯後。就現有的強化傳熱技術而言，在傳熱得到強化的同時，阻力增加較多，有時換熱得到的收益還小於流阻增加的能耗，因而得不償失。為此，本項目將研究和揭示層流和湍流換熱流場的物理量協同與對流強化傳熱之間的內在規律，建立和完善評價強化傳熱綜合性能的指標體系；發展基於最小耗散原理的最佳化設計理論，提出對流強化傳熱的新模式、新方法，並用於高效低阻換熱器的設計和套用。同時，通過研究質量、動量、能量傳遞的相互關係以及強化傳熱的本質特徵，提出既能增強換熱又不過多增加流阻的強化傳熱新方法、新技術，提高換熱器綜合性能，實現節能降耗。
結題摘要
1、該項目緊密圍繞建立高效節能的強化傳熱理論與技術的目標揭示了層流和湍流換熱流場的物理量協同與對流強化傳熱之間的內在規律與對應關係，建立並完善了評價強化傳熱性能的指標體系；揭示了熱量傳遞過程的物理機理，基於最小耗散原理，發展了以建立流體最佳化場為目標的最佳化設計方法；揭示了對流強化傳熱的本質特徵，以增強換熱和減少流阻為目標，研究了基於流體的強化傳熱新模式、新技術，並用於高效低阻換熱器的設計。 2、所取得主要成果包括：（1）拓展了過增元院士提出的場協同原理：由單一的換熱問題向流動問題拓展；由層流向湍流拓展；建立了強化傳熱的統一評價指標體系。（2） 揭示了對流傳熱強化的本質規律：構建了對流換熱流場中速度矢量U、溫度梯度ΔT、壓力梯度Δp 之間的協同關係; 得到了協同角α、β、γ、θ、η的統一數學表達式。（3） 提出了最小功耗最佳化原理：以流動過程中流體泵功消耗最小作為最佳化目標，通過對拉格朗日函式變分，推得流體的最佳化場方程，求取最佳化的流場結構。（4） 發展了最小熱耗最佳化原理：建立了工質勢的概念，導出了流體的勢方程。基本特徵為：熱耗散具有能量量綱，有利於量化評價傳輸過程的不可逆性。（5）開展了對流換熱的可用能傳遞及效率分析。（6） 建立了同時減少熱阻和流阻的多目標傳熱最佳化方法。（7） 提出了基於流體的強化傳熱原理：通過流體擾動在管內形成等效熱邊界層，在換熱增強的同時，降低流動阻力的增幅，實現流動與換熱的協同最佳化。（8） 發明了一種新型縱向擾流管殼式換熱器：相較於工程中常用的折流桿管殼式換熱器，其流動阻力大為減少，傳熱強化的綜合性能可提高10~25%。（9）研究並發展了多種擾流型強化傳熱元件，如螺旋扭帶、旋流葉片、縱向渦擾流片、渦桿等。（10）基於（火積）耗散極值原理，對凝汽器管束布置型式進行分析，研究出新的凝汽器管束布置的設計原則和方法，構建了新型凝汽器管束布置型式。（11）仿照自然界的樹形結構，提出了一種雙連樹型凝汽器布管，並套用於西柏坡電站300MW的2#機組改造，與改造前相比，凝汽器每年因節煤產生的經濟效益達450萬元。 該項目已發表發表SCI源刊論文47篇，EI中文期刊論文31篇，總影響因子125，SCI他引179次，其中ESI Hot Paper 1篇, Highly Cited 2篇；發表國際會議論文7篇，其中Keynote報告2篇；申請國家發明專利14項。
