管內(nèi)螺旋液固兩相流的流動行為及傳熱

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1、第15卷第1期過程工程學(xué)報(bào)Vol.15No.12015年2月TheChineseJournalofProcessEngineeringFeb.2015管內(nèi)螺旋液固兩相流的流動行為及傳熱112131彭德其，張浪，俞天蘭，吳淑英，支校衡，陳前(1.湘潭大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖南湘潭411105；2.湖南工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖南株洲412008；3.湖南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南長沙410132)摘要：利用Fluent-EDEM耦合方法對管內(nèi)插螺旋線的液固兩相流動與傳熱進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了螺旋線對固相顆粒的誘

2、導(dǎo)碰撞作用和液固兩相流傳熱性能的影響.通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，模擬值與實(shí)驗(yàn)值的偏差為6.3%～13.8%.模擬結(jié)果表明，與管內(nèi)未插螺旋線對比，管內(nèi)插螺旋線對液固兩相流體具有誘導(dǎo)作用，使流體呈螺旋流狀態(tài)；在流體離心力和螺旋線共同作用下，貼近管內(nèi)壁運(yùn)動的固體顆粒體積分?jǐn)?shù)由0.44%提高到3.27%；相同Re條件下，內(nèi)插螺旋線液固兩相流傳熱方法的努賽爾數(shù)Nu最大.在雷諾數(shù)Re≤60000范圍內(nèi)，內(nèi)插螺旋線液固兩相流的綜合評價(jià)指標(biāo)值均高于內(nèi)插螺旋線和液固兩相流單獨(dú)作用方式.因此，該技術(shù)適用于低Re下管內(nèi)防垢除垢及強(qiáng)化

3、傳熱的工況.關(guān)鍵詞：螺旋線；液固兩相流；強(qiáng)化傳熱；誘導(dǎo)作用中圖分類號：TK123文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1009?606X(2015)01?0045?051前言2實(shí)驗(yàn)換熱管內(nèi)高效強(qiáng)化傳熱同時(shí)減少污垢沉積一直是2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備及條件[1?3]國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，其中旋流和液固兩相流作為有建立換熱管單管實(shí)驗(yàn)臺，對空管、內(nèi)插螺旋線、液效的傳熱強(qiáng)化技術(shù)都得到了廣泛研究及應(yīng)用.文獻(xiàn)[4?8]固兩相流、內(nèi)插螺旋線及液固兩相流復(fù)合技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分別對內(nèi)插螺旋線和液固兩相流強(qiáng)化傳熱特性進(jìn)行了研究.為描述簡便，4種換熱管分

4、別用表1中型號代替.實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬研究，內(nèi)插螺旋線和液固兩相流都能加表1換熱管型號劇管內(nèi)流體湍流強(qiáng)度及邊界層的擾動，且進(jìn)一步提高在Table1Thetypeofheatexchangetube[9]ItemModel線清洗、強(qiáng)化傳熱能力.段培清等研究發(fā)現(xiàn)，在相同#Smoothtube1#條件下，內(nèi)插螺旋線管內(nèi)液固兩相流方法強(qiáng)化傳熱的同Smoothtubewithparticles2#[10]Smoothtubewithspiralinsert3時(shí)可使污垢量減少20%～50%.向寓華等對換熱管內(nèi)#Sm

5、oothtubewithspiralinsertandparticles4插螺旋線液固兩相流的清洗能力及阻力進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研整套實(shí)驗(yàn)裝置主要由水蒸汽加熱系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)究，未發(fā)生粒子沉積和堵塞現(xiàn)象，安全可靠性好.Lennart[11]及測量控制系統(tǒng)組成.加熱系統(tǒng)為被測實(shí)驗(yàn)段；冷卻系等利用Fluent-EDEM模擬軟件對流化床粒子碰撞動統(tǒng)主要是冷卻加熱管內(nèi)被加熱的流體，以便使實(shí)驗(yàn)被測力學(xué)進(jìn)行了研究，從顆粒平均速度、角速度、顆粒?壁段管內(nèi)流體的進(jìn)口溫度恒定.單管換熱傳熱性能實(shí)驗(yàn)裝面間碰撞和顆粒之間碰撞頻率等

6、方面進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)置流程如圖1所示.顆粒?傳熱面之間的碰撞、顆粒對邊界層的擾動是固體[12]顆粒強(qiáng)化傳熱的主要原因.鐘宏偉分析了固相顆粒濃度分布對傳熱的影響，發(fā)現(xiàn)管壁處固相顆粒增多，傳[13]熱效果更佳.彭德其等研究了扭曲管中加入固體顆1.Heatingsystem粒的強(qiáng)化傳熱，與空管相比綜合性能提高15.5%，但存2.Coolingsystem在固相顆粒濃度分布不均勻且管壁磨損程度相差很大a.Waterheatingbathb.Watercoolingbath等問題.綜合以上研究，本工作在實(shí)驗(yàn)研

7、究基礎(chǔ)上，利c.Heattransferexperimenttube用Fluent-EDEM耦合模擬軟件模擬內(nèi)插螺旋線對固相顆粒運(yùn)動規(guī)律和液固兩相流傳熱性能的影響，并與光管、內(nèi)插螺旋線及液固兩相流單獨(dú)作用時(shí)進(jìn)行對比，揭圖1實(shí)驗(yàn)裝置流程示意圖示該復(fù)合技術(shù)的強(qiáng)化傳熱行為機(jī)理.Fig.1Schematicdiagramofexperimentalsystem收稿日期：2014?11?15，修回日期：2014?12?31基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(編號：51206071)；湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目

8、(編號：11JJ9003)作者簡介：彭德其(1972?)，男，湖南省衡山縣人，博士，教授，主要從事強(qiáng)化傳熱和節(jié)能環(huán)保技術(shù)研究，E-mail:pengshuaike@163.com.46過程工程學(xué)報(bào)第15卷實(shí)驗(yàn)用加熱管規(guī)格φ38mm×2mm，套管規(guī)格φ57為液相平均速度(m/s)，ff為單位質(zhì)量液體質(zhì)量力(N)，2mm×3.5mm，實(shí)驗(yàn)段加熱管長2000mm，螺旋線外徑?p為壓力梯度矢量，ν為流體運(yùn)動粘度(m/s)，F(xiàn)sf為單24mm，固相顆粒體積濃度2.5%.前期測試