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1、５６４化工機(jī)械２０１７年①高壓水在橫紋槽螺旋管中的傳熱性能研究王小娟李慶生（南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院）摘要采用ＦＬＵＥＮＴ軟件，以高壓水為介質(zhì)分析了光管螺旋管和橫紋槽螺旋管管內(nèi)流體流動傳熱和壓降性能。結(jié)果表明：橫紋槽螺旋管的傳熱性能優(yōu)于光管螺旋管，同時壓降也高于光管螺旋管。關(guān)鍵詞繞管式換熱器光管螺旋管橫紋槽螺旋管傳熱性能中圖分類號ＴＱ０５１．５文獻(xiàn)標(biāo)識碼Ａ文章編號０２５４-６０９４（２０１７）０５-０５６４-０５［７］繞管式換熱器相對于普通的列管式換熱器具為２．９～５．７時的努塞爾數(shù)Nu公式。ＲｏｇｅｒＧ有結(jié)構(gòu)緊湊度高、適用溫
2、度范圍廣、可用于高壓環(huán)ＦＣ和ＭａｙｈｅｗＹＲ實(shí)驗(yàn)研究了螺旋換熱管內(nèi)的境、傳熱溫差小、熱應(yīng)力能自身消除、適應(yīng)熱沖擊對流傳熱和摩擦系數(shù)，并提出了雷諾數(shù)Re范圍為及可同時進(jìn)行多種介質(zhì)的傳熱等優(yōu)勢。ＦｅｒｎｇＹ１００００～１０００００、普朗特?cái)?shù)Pr為７時的努塞爾數(shù)［８］Ｍ等利用ＣＦＤ方法分析了迪恩數(shù)De和螺距對繞Nu公式。ＭｏｒｉＹ和ＮａｋａｙａｍａＷ通過理論和管式換熱器管程傳熱性能的影響，并通過實(shí)驗(yàn)數(shù)實(shí)驗(yàn)兩種方法研究了在定熱通量邊界條件下彎管［１］據(jù)驗(yàn)證該ＣＦＤ模型的合理性。ＪａｙａｋｕｍａｒＪＳ內(nèi)的湍流傳熱，并對相同的模型以定壁溫為邊界
3、［９，１０］等采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬方法對螺旋管換熱性能進(jìn)條件研究其傳熱性能。ＪａｙａｋｕｍａｒＪＳ等通過行研究，結(jié)果表明恒定壁溫和恒定熱流率邊界條實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬兩種方法研究了繞管式換熱器在件均有一定的誤差，采用耦合傳熱計(jì)算方法后，實(shí)液-液之間管內(nèi)的傳熱特征，分析了定壁溫、定熱［２］驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果吻合較好。ＲａｉｎｉｅｒｉＳ等實(shí)通量和定對流系數(shù)３種邊界條件對換熱管ＣＦＤ驗(yàn)研究了在光滑螺旋換熱管和波紋螺旋換熱管內(nèi)模型的傳熱影響，擬合的努塞爾數(shù)Nu公式適用的強(qiáng)制對流傳熱，結(jié)果表明：在低迪恩數(shù)時，兩種的迪恩數(shù)De范圍為２０００～１２０００、
4、普朗特?cái)?shù)Pr［１１］結(jié)構(gòu)的傳熱效果相近；高迪恩數(shù)時，波紋螺旋換熱范圍為１．０～３．５。［３］管傳熱效果強(qiáng)于光管。ＹａｎｇＧ等通過迪恩數(shù)橫紋槽管式換熱器是２０世紀(jì)７０年代中期出De、扭曲和普朗特?cái)?shù)Pr３個變量，采用數(shù)值模擬現(xiàn)的一種高效換熱器元件，可以顯著強(qiáng)化流體的方法研究了在螺旋換熱管內(nèi)充分發(fā)展的層流對流傳熱效果，目前為止對橫紋槽螺旋管的換熱性能［４］傳熱。ＺａｃｈａｒＡ通過數(shù)值模擬分析了不同的幾研究較少。筆者進(jìn)行橫紋槽螺旋管與光管螺旋管何參數(shù)和熱邊界條件對層流和過渡流傳熱速率的的傳熱特性分析。［５］影響。ＳｈｏｋｏｕｈｍａｎｄＨ和Ｓ
5、ａｌｉｍｐｏｕｒＭＲ基于1數(shù)值模擬最小熵變原則，采用定壁溫邊界條件分析了螺旋1．1物理模型［６］換熱管內(nèi)的層流流動特性和傳熱性能。Ｓｅｂａｎ光管螺旋管的模型如圖１所示，其中d為管ＲＡ和ＭｃｌａｕｇｈｌｉｎＥＦ實(shí)驗(yàn)分析了水在螺旋換熱直徑，p為節(jié)距，D為纏繞直徑，α為螺旋角。螺旋管內(nèi)層流和湍流狀態(tài)下的傳熱特征，并給出了雷管的具體參數(shù)為：d＝１０ｍｍ，p＝５０ｍｍ，D＝諾數(shù)Re范圍為６０００～６５５００、普朗特?cái)?shù)Pr范圍２００ｍｍ。橫紋槽螺旋管的模型如圖２所示，是在①基金項(xiàng)目：江蘇省六大人才高峰項(xiàng)目（２０１４-ＺＢＺＺ-０１３）。作者簡介
6、：王小娟（１９８８-），碩士研究生，從事?lián)Q熱器的傳熱強(qiáng)化和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究。聯(lián)系人：李慶生（１９６９-），副教授，從事結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和高效傳質(zhì)傳熱設(shè)備的研究，ｌｑｓｈ＠ｎｊｔｅｃｈ．ｅｄｕ．ｃｎ。第４４卷第５期化工機(jī)械５６５光滑螺旋管的外壁滾軋出與管子軸線垂直的凹■ui■uj其中，（-ρuiuj）＝μｔ+，Γ為分析槽，其中m為相鄰兩個凹槽之間的軸向距離，e為■xj■xi槽深，n為槽寬。其具體參數(shù)為：m＝４７ｍｍ，e＝熱擴(kuò)散率，Γ＝μ／Pr；Γｔ為湍流熱擴(kuò)散率，Γｔ＝μｔ／２０．３ｍｍ，n＝１．０４ｍｍ。kPrｔ。湍流粘性系數(shù)μｔ＝ρCμ，Cμ
7、是常值，k是湍ε動能，ε是湍流耗散率。在ＣＦＤ分析中，可實(shí)現(xiàn)k-ε湍流模型，需要求解湍動能k和湍流耗散率ε：ｄk■μｔ■k湍動能kρ＝μ++Gk+Gｂ-ρε-ｄt■xjσk■xjYＭｄε■μｔ■ε湍流耗散率ερ＝μ++ρC１Sε-ｄt■xjσε■xj２圖１光管螺旋管模型εερC２+C１εG３εGｂk+νεk1．3網(wǎng)格劃分圖３為橫紋槽螺旋管光滑處和橫紋槽處的網(wǎng)格示意圖。由于螺旋管在流動過程中會產(chǎn)生二次流，近壁面處流動復(fù)雜，因此需要加密網(wǎng)格。但是，加密網(wǎng)格的同時，計(jì)算時間和計(jì)算機(jī)的內(nèi)存會造成一定的限制。因此，筆者采用加強(qiáng)壁面函數(shù)，在保證
8、計(jì)算精度的基礎(chǔ)上節(jié)省計(jì)算時間。最終，進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證后，網(wǎng)格數(shù)量為１９１２３２０。ａ．橫紋槽螺旋管模型ｂ．橫紋槽放大圖ａ．光滑處圖２橫紋槽螺旋管模型1．2數(shù)學(xué)模型筆者采用Ｒｅａｌｉｚａｂｌｅk-ε湍流模型，數(shù)學(xué)模型包括連續(xù)性方程、動
