【摘要】：列管式换热器应用广泛,其强化传热技术一直是国内外学者研究的热点。本文在调研列管式换热器无源强化传热技术的基础上,从改进管束排布方式和管内填充梯度多孔介质两个方面进行传热强化研究。(1)提出一种正五边形管束排列方式,设计并搭建换热器实验平台,对其传热和流动阻力特性进行了实验研究,并与传统的正三角形管排方式进行了对比。实验结果表明:在雷诺数Re=5 000~22 000范围内,正五边形管束较正三角形管束的努塞尔数Nu平均提高9.4%,而欧拉数Eu平均增加约18.5%;当Re在5 000~9400范围内时,综合性能评价因子η1,正五边形管束综合传热性能不及正三角形管束;当Re在9 400~22 000范围内时,η在1~1.08之间,正五边形管束的综合传热性能更佳,即正五边形管排方式在高雷诺数时综合传热效果更好。(2)建立流动与传热数值模型,对正五边形和正三角形两种管排方式下管束传热和流动阻力特性进行了数值模拟研究,结果显示:正五边形管排方式下,入口空气流经较少管排数便与管壁充分换热;该管排方式下管束单管尾部存在流体的迂回流动,这在促进空气与管壁尾部充分换热的同时,亦增加了空气在管间的流动阻力损失;正五边形管束场协同角φ平均值为73.9°,远小于正三角形管束的平均值77.8°,即空气在正五边形管束间流动时速度场与热流场的场协同程度要优于正三角形管束。(3)提出管内填充具有径向孔径(dp)非线性梯度的多孔介质,建立多孔介质流动与传热数值模型,对其传热和流动阻力特性进行了数值模拟研究,并与填充具有径向孔径线性梯度的多孔介质、均匀多孔介质及无多孔介质的光管进行了对比分析。结果表明:管内完全填充多孔介质时,dp=1.5r~2+0.001m的多孔介质填充方式,其传热能力*强,场协同程度*高,综合性能略优于dp=0.15r+0.001m的线性填充方式;dp=-1.r~2+0.299r+0.001m填充方式,其流动阻力*小,综合性能明显优于其它填充方式。管内完全填充具有径向孔径抛物线型曲线增大梯度的多孔介质,对改善管内传热性能或降低流动阻力起到了良好的效果。(4)管内部分填充(填充比为0.6)多孔介质时,dp=35(r-0.06)2/18+0.001m的多孔介质填充方式,其场协同程度优于dp=-7r/60+0.008m的线性填充方式,但综合传热性能不如后者;dp=-1.r3-1.r~2-0.0316r+0.008m的填充方式,其场协同程度不如线性填充方式,但综合传热性能略优于后者。