螺旋槽管脈沖流強化對流換熱數值及場協同分析

楊文灝，喻九陽，吳艷陽，高九陽，劉利軍，劉 倩，林 緯

(武漢工程大學機電工程學院，湖北 武漢 430074)

0 引 言

螺旋槽管自20世紀60年代問世以來，國內外很多學者都對其進行了研究，Moffat和Zimparov分別對臥式冷凝器中的螺旋槽管進行了研究，Mofat對11種不同螺距和槽深的螺旋槽管進行了實驗，建立了總傳熱系數、冷凝側的傳熱系數的相關準則方程[1].Zimparov測定了11種不同結構參數螺旋槽管的傳熱性能，得到了螺旋槽管內外側的傳熱系數和總傳熱系數.通過同光滑管的實驗數據進行比較，結果表明螺旋槽管的總傳熱系數是光滑管的2倍[2].

脈沖流動對對流傳熱的影響目前還沒有一致結論：a.俞接成、Himadri Chattopadhyay等認為脈沖流動對傳熱過程沒有影響[3-4]；b.Mackly實驗證實脈沖流對帶內肋片圓管強化效果顯著，但對普通圓管直通道沒有強化換熱效果[5]；c.A.E.Zohir等認為脈沖流能強化傳熱[6-7].

本研究應用Fluent軟件對等壁溫條件下，對三維螺旋槽管內脈沖流進行數值模擬，研究了脈沖流對管內單相流流動和換熱的影響[8].

1 計算模型及邊界條件

在數值模擬計算中，由于螺旋槽管的不對稱結構，故對螺旋槽管進行三維建模，取螺旋槽管長度為L=500 mm，外徑Df=18 mm，內徑D0=16 mm，管子長度L=500 mm，槽深e=0.48 mm，節距p=4.8 mm.如圖1所示，此外，按照實際模型的結構，在建立螺旋槽管幾何模型時，在管的進出口端各增加了兩個直管段，長度分別為25 mm以及30 mm.如圖1所示.

圖1 螺旋槽管二維示意圖

該模型網格劃分如圖2.壁面為等溫條件，溫度為293 K,壁面速度無滑移.本實驗將入口給定速度脈沖作為脈沖流動的原因，其表達式為：

v=v0[1+Asin(2πnt)]

其中為v脈沖流瞬時速度，v0為穩態流速度，A為脈沖流振幅，n為脈沖流頻率.顯然當A為0時，演變成穩態流.計算時，V0=0.05 m/s， 分別取1,3,5,8,10，A分別取2,4,6,8,10.為了便于計算，壁面溫度恒定為293 K.流體工質為水，流體入口溫度為333 K.

圖2 螺旋槽管網格示意圖

采用壓力與速度耦合的SIMPLER算法進行離散求解，擴散項采用中心差分格式.收斂標準是出口處的平均溫度呈周期性波動.

2 計算結果分析

2.1 出口中心處壓力分布圖

圖3中表示的是當A=1時，n=2,4,6,8,10時,螺旋槽管出口截面平均壓力波動.從圖中可知，當脈動流通過半個周期以后，壓力波動值達到最大，并且在相同的振幅條件下，頻率n越大，壓力波動也越大.并且出口截面平均壓力的波動隨頻率n增大而增大.這是因為由于入口處采用正弦脈沖流輸入，頻率越大，速度波動也越大，從而導致出口平均壓力隨頻率n增大而增大.

圖3 出口中心處壓力波動圖

2.2 脈沖流參數對于流場的影響

圖4、5是在通入的脈沖流參數為A=1、n=4時，第50個螺旋槽段的穩態和脈沖流條件下的流函數的分布圖和速度矢量圖.由于是三維建模，所以我們建立Z=0的平面，以便于觀察管內的流場情況，圖4所示的是一個計算周期下不同相位是流體的流函數圖；圖5中表示脈沖流條件下一個周期內不同相位時流體的速度矢量圖.通過圖形可以表明：穩態流動條件下，此波段內流體流態是固定且無漩渦；但當通入脈沖流后，在一個周期內，流體形態不斷發生變化，基本過程如下:首先流體同向流動，速度場無渦旋，當脈沖相位超過180°，即達到負周期時，脈沖流流體在開槽處靠近流體入口處產生漩渦.

圖4 流函數分布圖

圖5 速度矢量圖

2.3 時均徑向溫度分布

當A=5，n=2時，X=225 mm處即在螺旋槽管第48個開槽處穩態和脈沖流條件下的徑向溫度分布圖，從圖6中可知，由于脈沖流作用，時均徑向溫度分布在壁面附近比穩態時的斜率要大，這樣就降低了溫度邊界層的厚度，從而強化傳熱.

圖6 徑向溫度分布圖

2.4 脈沖流強化傳熱的場協同分析

當A=1，n=6時，螺旋槽管在XY剖面上的速度矢量圖和溫度等值線圖如下所示，由圖7和圖8中可知，在螺旋凸起區域，溫度梯度矢量發生了偏轉與軸線成一定角度，速度矢量方向也發生了角度偏轉，不再與軸線平行，這樣速度場和溫度場得協同性變好，從而強化傳熱.

圖7 螺旋槽管XY剖面速度矢量圖

圖8 螺旋槽管XY剖面溫度等值線圖

圖和與不同振幅之間的關系

3 結 語

a.通過fluent數值計算，得到出口中心處壓力呈周期性波動，在相同的波動條件下，頻率越大，壓力波動也越大.

b.脈沖流通入后使得流體在螺旋槽管開槽處產生漩渦，這樣大大增加流體的擾動，降低了邊界層厚度，從而強化換熱.

c.與穩態流相比，由于脈沖流的作用，槽管壁附近會有漩渦產生、然后漂移最后脫落.

d.通入脈沖流后，速度場和溫度場得協同性變好，從而強化傳熱.對其進行場協同分析，發現當振幅大于某一臨介值以后，周期平均場協同數以及壁面平均努塞爾會隨著振幅的增大而增大，會起到強化傳熱的效果.

參考文獻：

[1] Moffat R J. Describing the uncertainties in experimental results[J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 1988,1( 1):3-17.

[2] Zimparov V D,Vulchanov N L, Delov L B. Heat transfer and friction characteristics of spirally corrugated tubes for power plant condensers[J]. Intenrational Journal of Heat and Mass Transfer,1991,34 (5):2187-2197.

[3] 俞接成，李志信.圓管層流脈沖流動對流換熱數值分析[J].工程熱物理學報，2005,26(2):319-321.

[4] Chattopadhyay H, Durst F, Ray S. Analysis of heat transfer in simulaneously developoing pulsating laminar flow in apipe with constant wall temperature[J].International Communications in Heat and Mass Transfer,2006,33:475-481.

[5] Mamayev V V, Nosov V S, Syromyatnikov N I. Investigation of heat transfer in pulsed flow of air in pips[J].Heat Transfer-soviet Research,1976,8(3):111-116.

[6] Zohir A E, Habib M A,Attya A M. An experimental investigation of heat transfer to pulsating pipe air flow with different amplitudes[J].Heat and Mass Transfer,2006,42:625-635.

[7] 汪威,喻九陽,楊俠.波節管脈沖流強化對流換熱數值分析[J].武漢工程大學學報，2010,32(3):89-91.

[8] 劉玉華，喻九陽，鄭小濤.氣-氣混合器的三維流場數值分析 [J].武漢工程大學學報，2008,30(2):108-110.