螺旋內(nèi)肋管換熱及流體流動(dòng)數(shù)值研究

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1、中國工程熱物理學(xué)會學(xué)術(shù)會議論文學(xué)科類別:傳熱傳質(zhì)學(xué)編號:123296螺旋內(nèi)肋管換熱及流體流動(dòng)數(shù)值研究靳遵龍，王珂，李水云，劉敏珊(鄭州大學(xué)河南省過程傳熱與節(jié)能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州450002)(Tel:0371-63887823,Emai1:zljin@zzu.edu.on)摘要：利用CFD技術(shù)，針對螺旋內(nèi)肋管的不同結(jié)構(gòu)參數(shù)，對不同螺距、螺旋角和肋高等27組結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值研究，詳細(xì)分析了各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)對流體流動(dòng)及換熱的影響。結(jié)果表明，適當(dāng)減小螺距可有效提高管側(cè)對流換熱能力，同時(shí)伴隨著阻力降增大，但是換熱性能對雷諾數(shù)的增長趨勢更為明顯，綜合性能趨勢向好。隨著肋離的增大,在高雷諾數(shù)區(qū)域強(qiáng)化管的換

2、熱性能隨肋離的增加變化得更為明顯，且摩擦系數(shù)增加的比例與肋高增加的比例人致相當(dāng)。擬合了螺旋內(nèi)肋管換熱及阻力性能公式，同時(shí)對強(qiáng)化管綜合性能做出評價(jià)。關(guān)鍵詞：螺旋內(nèi)肋管；換熱；流體流動(dòng)；數(shù)值研究0前言內(nèi)螺紋管是一種在管內(nèi)壁上設(shè)置螺旋型螺紋的高效無源強(qiáng)化換熱管,口前在石油化工、動(dòng)力工程和制冷等行業(yè)中得到廣泛應(yīng)JIJllJo當(dāng)單相流體在內(nèi)螺紋錚管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，在近似軸向周期性螺紋突起的作川卜迫使管內(nèi)流休產(chǎn)牛周期性的旋轉(zhuǎn)擾動(dòng)，有利于減薄邊界層，降低邊界層傳熱熱阻。近似軸向的流體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，減小了主體流體速度與熱流矢疑之間的夾角,改善了速度場與熱流場的協(xié)同程度。流體與管內(nèi)壁Ifli進(jìn)行換熱時(shí)，所進(jìn)行的

3、熱雖傳遞主要是由分子的導(dǎo)熱與湍流輸運(yùn)共同完成。在近壁面附近，邊界層熱阻占總傳熱熱阻的70%［2］o因此，流體旋轉(zhuǎn)擾動(dòng)所造成的邊界層減薄降低了傳熱熱阻。并且，管內(nèi)的螺紋突起使流體產(chǎn)牛.流動(dòng)脫離區(qū)，形成湍流漩渦，從而強(qiáng)化了傳熱［3］。國內(nèi)外許多研究者對內(nèi)螺紋強(qiáng)化換熱管進(jìn)行了卓有成效的研究。但是，由于所研究的內(nèi)螺紋管的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)參數(shù)、加工方法及研究手段的不同，所得結(jié)論也不盡相同。LixinCheng&TingkuanChen［4］通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)，內(nèi)螺紋管的傳熱系數(shù)是對應(yīng)光管的1.2至1.6倍，壓力損失是對應(yīng)光管的1.4至1.7倍，并給出了內(nèi)螺紋管的努塞兒數(shù)及阻力系數(shù)關(guān)聯(lián)式，該關(guān)聯(lián)式并沒有體現(xiàn)

4、出結(jié)構(gòu)參數(shù)對傳熱及壓降的影響。WentaoJi等人⑸在假設(shè)強(qiáng)化系數(shù)為1的基礎(chǔ)上,依據(jù)Gnielinski公式［6］,推導(dǎo)；l

5、TGnielinski擴(kuò)展公式，用來預(yù)測內(nèi)螺紋管強(qiáng)化傳熱。該擴(kuò)展公式的計(jì)算結(jié)果與440組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比，最大誤差為40%左右。劉湘云等人［7］用實(shí)驗(yàn)手段研究了內(nèi)肋管不同肋高及不同肋條數(shù)對管內(nèi)流體流動(dòng)與換熱特性的影響，研究結(jié)果表明管內(nèi)換熱得到強(qiáng)化，同時(shí)也伴隨著阻力損失增大，沒有給出相應(yīng)的關(guān)聯(lián)式。以上眾多研究較多采川實(shí)驗(yàn)手段，很難獲得管內(nèi)流體流動(dòng)及換熱的細(xì)觀信息。木文采川數(shù)值方法，利川CFD技術(shù)，針對內(nèi)螺紋管的不同結(jié)構(gòu)參數(shù)，對不同螺距、螺旋角和肋高等27組結(jié)構(gòu)

6、進(jìn)行數(shù)值研究,詳細(xì)分析了各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)對流體流動(dòng)及換熱的影響，并以研究結(jié)果為基礎(chǔ)，擬合了內(nèi)螺紋管換熱及阻力性能公式，同時(shí)對強(qiáng)化管綜合性能做出評價(jià)。1物理及數(shù)學(xué)模型1.1物理模型基金項(xiàng)H：中國博士后科學(xué)基金項(xiàng)H(20100471002),中國博士后科學(xué)基金特別資助項(xiàng)H(201104400)從物理結(jié)構(gòu)上看，內(nèi)螺紋管管內(nèi)流道呈周期性變化。對英管內(nèi)流體流動(dòng)與換熱進(jìn)行數(shù)值模擬，建模時(shí)可利用周期性結(jié)構(gòu)計(jì)算模型進(jìn)行簡化，在獲取有效數(shù)值結(jié)果的前提下可人幅減少計(jì)算工作量。當(dāng)管內(nèi)流體流動(dòng)進(jìn)入充分發(fā)展階段以后，流體流動(dòng)與換熱均以若干個(gè)兒何周期為變化規(guī)律在主流方向上亟復(fù)。沿管內(nèi)流體流動(dòng)方向可以劃分為進(jìn)口段、周

7、期性充分發(fā)展段和出口段。管內(nèi)流體流動(dòng)人部分處于周期性充分發(fā)展段，該段的流體流動(dòng)和換熱性能，很大程度上反應(yīng)了內(nèi)螺紋強(qiáng)化管的基本性能。本文充分利用內(nèi)螺紋管的這種特殊結(jié)構(gòu)，在流體流動(dòng)充分發(fā)展段選取其中的一個(gè)螺距長度，作為周期性全截面計(jì)算模型進(jìn)行數(shù)值求解。直觀的周期性全截血物理模型如圖1所示。其中：螺距為10-25mm;肋高為0.5-1.2mm；螺旋角為70-85°Co圖1周期性全截面物理模型1.2數(shù)學(xué)模型及邊界條件計(jì)算吋假定流體不可壓縮、定常流動(dòng)并忽略重力的影響。將連續(xù)方程連同動(dòng)量方程、能量方程構(gòu)成可用來求解湍流流動(dòng)與換熱問題的封閉的控制方程組[8],湍流計(jì)算模型采用H前便用最為廣泛的標(biāo)準(zhǔn)

8、總兩方程模型。管內(nèi)流動(dòng)工質(zhì)為水，入口溫度為300K,設(shè)置恒定外壁面溫度為400K。采用速度入口以及壓力出口邊界條件。雷諾數(shù)Re在15000-25000之間。采丿

9、J有限體積法將計(jì)算區(qū)域劃分成網(wǎng)格，離散格式采用二階迎風(fēng)格式。為了捉高計(jì)算精度，采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)絡(luò)，由于內(nèi)壁而上存在螺旋內(nèi)肋，給網(wǎng)格劃分帶來困難。將內(nèi)肋所在區(qū)域單獨(dú)剖分，并對其表面采用增強(qiáng)壁面函數(shù)法進(jìn)行邊界層細(xì)化。2計(jì)算結(jié)果及分析本文采用有限體積法，利用CFD技術(shù)，対27組不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的內(nèi)肋管進(jìn)行