內插自振彈簧換熱管脈沖流強化換熱數值分析

徐建民，胡小霞，彭 坤，余海燕，黃 偉

(武漢工程大學機電工程學院，湖北 武漢 430205)

0 引 言

大量研究發現，直通道中脈沖流動強化換熱傳質作用很小，但對于通道中有周期性幾何結構時，情形不同[7].流體的擾動和摻混是強化傳熱、傳質的一個主要因素，利用脈動流動技術能夠顯著的增強流體擾動和相互摻混，從而達到強化傳熱的目的[8-10].

本文擬應用Fluent 6.3軟件對等壁溫條件下，內插自振彈簧換熱管中分別通入穩態流和脈沖流時，管內的速度場和溫度場.進而分析不同參數的脈動流對內插自振彈簧強化換熱的影響.

1 計算模型及邊界條件

在數值模擬計算中，由于內插自振彈簧換熱管管內的流體流動有軸向流、徑向流和周向流，又因彈簧自身的結構特點，所以對內插自振彈簧進行三維建模.取彈簧長l′=300 mm，節距p=6 mm，彈簧圈圈直徑d=15 mm，彈簧絲直徑e=1.0 mm，換熱管長l=500 mm，換熱管內徑D=22 mm，如圖1所示.為了便于計算和建模，管壁厚度為零，溫度恒定為293 K，彈簧壁面溫度恒定為293 K，流體工作介質為水，溫度為333 K.

圖1 換熱管內插自振彈簧示意圖Fig.1 Schematic diagram of self-vibration springheat exchange tubes within the interpolation

該模型的網格劃分如圖2所示.計算時選用離散格式，壓力與速度的耦合計算采用SIMPLEC方法，壓力計算采用STANDARD，忽略重力的作用，對流項采用二階迎風格式[11].流體入口定義為速度輸入，并通過UDF輸入正弦脈沖流動如式(1)，出口定義為壓力出口.

v=v0+v0Asin 2πft

(1)

式(1)中：v為脈沖流瞬態入口速度(m/s)，v0為穩態流速度(m/s)，A為脈沖流振幅，f為脈沖流頻率.顯然，當A=0時，演變為穩態流.計算時，取v0=0.05 m/s，f分別取2, 4, 6, 8, 10(Hz),A分別取0.1 ,0.3, 0.5, 0.7, 1.0(mm)，并設定脈沖流強化換熱系數R=km/kw，其中，km，kw分別為脈沖流和穩態流條件下傳熱系數.

圖2 局部模型的網格劃分Fig.2 Mesh generation of local model

2 計算結果分析

2.1 出口中心處壓力分布圖

圖3表示當振幅A=0.1 mm，f=2,4,6,8,10(Hz)時，內插自振彈簧換熱管流體出口橫截面平均壓力隨相位(2πft)波動圖.從圖3中可以看出，在脈沖流振幅一定時，隨著脈沖流頻率的增大，出口截面中心處壓力的波動振幅也增大.

圖3 出口中心處壓力波動圖Fig.3 The outlet center pressure distribution注： 2;4;6;8;10

2.2 脈沖流參數對流場的影響

為了分析脈沖流參數對流場的影響，在換熱管x=250 mm處，分別截取當振幅A=0,0.1,0.3(mm)時的速度云圖，如圖4所示；當振幅A=0.5,0.7,1.0(mm)時的速度云圖，如圖5所示.從圖4和圖5中可以看出，在內插自振彈簧換熱管中，通入脈沖流比通入穩態流時，管近壁面的溫度梯度要小，而且振幅越大，邊界層越薄.由于對流換熱的熱阻主要集中在邊界層，邊界層是對流換熱熱阻的控制層，要提高對流換熱系數，就得降低邊界層熱阻，降低邊界層熱阻的最佳途徑是改變其流動狀態，使壁面流體的流動方向不斷變化.向換熱管中通入脈沖流正是為了滿足這種要求，減薄了邊界層厚度，提高了換熱能力，而且振幅越大，換熱能力越強.

A=0

A=0.1 mm

A=0.3 mm圖4 A為0和0.1及0.3時速度云圖Fig.4 Speed of cloud images

A=0.5 mm

A=0.7 mm

A=1.0 mm圖5 A為0.5和0.7及1.0時的速度云圖Fig.5 Speed of cloud images

2.3 脈沖流參數對溫度場的影響

圖6表示在內插自振彈簧換熱管中通入脈沖流的情況下，當振幅一定時，傳熱系數隨頻率的變化曲線.由圖7可知，當振幅為0.1和1.0時，傳熱系數隨著頻率成正弦周期性變化，當振幅為0.3,0.5和0.7時，傳熱系數隨頻率的變化很小，幾乎不受頻率的影響.

圖6 傳熱系數隨頻率的變化曲線圖Fig.6 The curve of heat transfer coefficient variation with frequency注： 0.1;0.3;0.5;0.7;1

圖7表示在內插自振彈簧換熱管中通入脈沖流的情況下，當頻率一定時，傳熱系數隨振幅的變化曲線.由圖可知，當脈沖頻率一定時，傳熱系數隨著振幅的增大而增大，當振幅大于0.5 mm后，變化更明顯，傳熱效果更好.

圖7 傳熱系數隨振幅的變化曲線圖Fig.7 The curve of heat transfer coefficient variation with swing注： 2;4;6;8;10

3 結 語

研究運用Fluent軟件對內插自振彈簧分別通入穩態流和不同參數脈沖流情況下的流場和溫度場進行了分析，總結如下：

(1)內插自振彈簧換熱管出口平均壓力呈現與脈沖流周期相同的正(余)弦波動，波動大小隨著頻率的增大而增大.

(2)向內插自振彈簧換熱管中通入脈沖流，能減小速度邊界層厚度，降低熱阻，進而提高換熱能力.

(3)脈沖流振幅越大，速度邊界層厚度越小，熱阻越低，換熱效果越好.

(4)內插自振彈簧換熱管的換熱效果受脈沖流頻率的影響不大，但受脈沖流振幅的影響很大，隨著振幅的增大，換熱效果增強.

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