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非牛顿流体广泛存在于食品、石油、医药等各种工业领域中,涉及大量的热量交换过程。但由于非牛顿流体往往具有高粘度、低热导率的特点,使传热效果低下和流动压降增大,限制了其应用发展。本论文针对非牛顿流体的特点,提出了使用螺旋折流板椭圆管高效换热器和添加多壁碳纳米管提高流体热导率的两种思路,结合实验测试和数值仿真两种方法对非牛顿流体进行传热强化研究。本论文以非牛顿流体羧甲基纤维素(CMC)水溶液为传热工质,通过实验测试和数值方法比较其在螺旋折流板椭圆管和圆管换热器的综合性能优劣。结果表明,使用商业流体仿真软件Fluent得到的数值仿真结果能够准确反映实际情况,实验与仿真两者得到的壳程传热系数误差为1.02-9.83%,壳程摩擦因子的误差为0.73-7.16%。椭圆管换热器与圆管换热器相比,壳程努塞尔数增加了11.4-16.6%,壳程摩擦因子大幅减少了29.2-36.9%,综合热性能提高了30-35%,证明螺旋折流板椭圆管换热器能够有效强化非牛顿流体的流动和传热过程。通过数值仿真方法对螺旋折流板椭圆管换热器的椭圆管长短轴比和螺旋角两个重要的结构参数进行优化,分别对椭圆管长短轴比为2.0至5.0和螺旋角为20°至60°的螺旋折流板椭圆管换热器进行流动和传热性能比较。数值结果表明,椭圆管长短轴比和螺旋角的参数分别为2.5-3.0和40°的换热器,表现出最佳的综合热性能。本论文以多壁碳纳米管(MWCNTs)为添加的纳米粒子,以非牛顿流体黄原胶(XG)水溶液为基液制备了MWCNTs/XG非牛顿纳米流体,对其在螺旋折流板椭圆管换热器中的流动传热进行实验和数值分析。纳米粒子质量分数分别为1.0%、0.5%和0.2%的纳米流体,壳程传热系数比基液提高了22%、14%和6%,壳程压降增加了33%、21%和5%,综合性能提高了24-26%、15-17%和3-5%。基于实验的结果,本论文提出了非牛顿流体和非牛顿纳米流体在螺旋折流板椭圆管换热器壳程的努塞尔数和摩擦因子的经验关联式,关联式的预测值与实验值之间的误差在±10%以内,具有较高的精度。