螺旋槽管管內(nèi)傳熱與流動(dòng)性能的數(shù)值模擬研究

吳錦京，曹 侃，魏新利

(1.麗水學(xué)院理學(xué)院，浙江麗水323000;2.河南省過程傳熱與節(jié)能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南鄭州450002;3.鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院，河南鄭州450001)

0 引言

在石油、化學(xué)工業(yè)中，為最大限度地利用熱能、降低設(shè)備能耗，換熱設(shè)備進(jìn)行強(qiáng)化傳熱研究越來越受到人們的關(guān)注.人們開發(fā)出了各種高效異形強(qiáng)化管，如螺旋槽管、橫紋槽管、螺紋翅片管、縮放管、波紋管及各種粗糙管等，并對(duì)其流動(dòng)和傳熱特性進(jìn)行了大量研究，取得了豐富的成果［1～4］.在諸多的強(qiáng)化管中，帶波狀表面的螺旋槽管與其他強(qiáng)化管相比，易于加工，抗污垢性能較好，易清洗，強(qiáng)化傳熱效果好，因而廣泛用于能源、化工等工業(yè)領(lǐng)域.Vicente通過對(duì)螺旋槽管中湍流流動(dòng)時(shí)對(duì)流換熱的研究發(fā)現(xiàn)，在高Re數(shù)下螺旋槽管Nu數(shù)要比光管提高30%以上［5］.Zimparov通過實(shí)驗(yàn)建立了數(shù)學(xué)模型，用以對(duì)內(nèi)置紐帶螺旋槽管充分發(fā)展湍流流動(dòng)的阻力及換熱特性進(jìn)行預(yù)測［6］.唐玉峰等人對(duì)空氣在螺旋槽管內(nèi)的對(duì)流換熱工況進(jìn)行數(shù)值模擬，并利用場協(xié)同原理對(duì)強(qiáng)化傳熱的效果進(jìn)行分析，得出了螺紋節(jié)距及螺紋高度對(duì)壁面場協(xié)同性能及傳熱性能的影響規(guī)律［7］.由于不同的研究者所采用的實(shí)驗(yàn)方法不同，所得到的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式相差較大，因此為了更好地研究螺旋槽管內(nèi)部流動(dòng)與傳熱的情況，有必要對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬研究.

筆者采用周期模型以空氣為介質(zhì)對(duì)7根螺旋槽管的傳熱及流阻性能進(jìn)行了數(shù)值模擬，并與圓形光滑管進(jìn)行了比較.首先分析了螺旋槽管強(qiáng)化機(jī)理，認(rèn)為其場協(xié)同程度得到改善是其傳熱效果強(qiáng)于光滑管的根本原因.同時(shí)還分析了管內(nèi)Re數(shù)、槽深e、節(jié)距p以及滾球半徑r對(duì)螺旋槽管換熱與流動(dòng)阻力性能影響，可為換熱器設(shè)計(jì)與改造提供理論依據(jù).

1 計(jì)算模型和數(shù)值驗(yàn)證

1.1 數(shù)值計(jì)算模型

筆者計(jì)算了7種不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的螺旋槽管，并將其與光管進(jìn)行了對(duì)比.管子均選用Ф40×2 mm的有縫鋼管，分別考慮了槽深e，節(jié)距p以及滾球半徑r的影響.其具體結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1.

螺旋槽管的管內(nèi)流動(dòng)屬于一種以幾何周期通道為周期的復(fù)雜流動(dòng)，當(dāng)其充分發(fā)展時(shí)可以截取管道的1個(gè)或者幾個(gè)周期進(jìn)行研究，筆者選取了3個(gè)周期進(jìn)行模擬求解.利用大型CFD軟件Fluent對(duì)其建立數(shù)值模型，采用非結(jié)構(gòu)化的四面體網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最后對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，網(wǎng)格數(shù)量大約為6.1×104.筆者采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，壓力—速度耦合采用Simple算法，動(dòng)量和能量方程均采用二階迎風(fēng)離散格式.收斂條件能量方程為10-8，其余均為10-6.邊界條件設(shè)置:進(jìn)出口設(shè)為周期性邊界條件，質(zhì)量流量給定;空氣溫度設(shè)為室溫，物性假設(shè)為常物性，Tf=295 K;壁面設(shè)為恒壁溫，Tw=393 K，無滑移邊界條件.

表1 螺旋槽管結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Structural parameters of spirally fluted tubes

1.2 數(shù)值模擬驗(yàn)證

為驗(yàn)證數(shù)值模擬的正確性，將數(shù)值模擬結(jié)果與筆者實(shí)驗(yàn)結(jié)果［8］進(jìn)行對(duì)比.實(shí)驗(yàn)臺(tái)為不同實(shí)驗(yàn)管與管殼所組成的套管式換熱器，其中過量飽和水蒸氣在換熱器殼側(cè)冷凝，管內(nèi)走空氣.整套實(shí)驗(yàn)裝置由供料系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)以及套管換熱器3部分組成.具體流程及實(shí)驗(yàn)誤差分析文獻(xiàn)［8］已給出.其中采用數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)對(duì)照的螺旋槽管的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為:e=1.2 mm，p=20 mm，r=2 mm.計(jì)算結(jié)果如圖1、圖2所示，可以發(fā)現(xiàn)阻力系數(shù)模擬值與實(shí)驗(yàn)值最大誤差不超過5%，換熱誤差最大不超過7%，從而證明數(shù)值模擬方法的正確性，使用周期性模型對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬是可行的.

2 強(qiáng)化傳熱機(jī)理簡析

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)螺旋槽管強(qiáng)化換熱機(jī)理作了大量研究，認(rèn)為一方面由于螺旋槽的引導(dǎo)作用使近壁處流體發(fā)生旋轉(zhuǎn)，加強(qiáng)了徑向擾動(dòng);另一方面，由于一部分流體順壁面軸向流動(dòng)通過螺旋槽紋凸起處產(chǎn)生軸向渦流，引起邊界層分離從而加快了由壁面至流體主體的熱量傳遞［9］.

場協(xié)同原理［10］指出，對(duì)流換熱的強(qiáng)度，不僅取決于流速、溫度和流體物性，還取決于速度場與溫度場的協(xié)同程度，因此筆者主要從這個(gè)方面進(jìn)行考察.自從過增元院士提出該原理以來，許多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量研究，但是對(duì)于場協(xié)同的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)至今還沒有統(tǒng)一.現(xiàn)有的場協(xié)同夾角計(jì)算方法可以分為算數(shù)平均角、體積平均角、模平均角、矢量點(diǎn)平均角、整體平均角5種.筆者根據(jù)周俊杰等人［11］的分析，釆用模平均角的計(jì)算公式來計(jì)算場協(xié)同角，以此作為螺紋螺旋管強(qiáng)化傳熱場協(xié)同性的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行研究.

通過流量一定時(shí)(流量Re=10 000)，對(duì)3號(hào)管和光管進(jìn)行數(shù)值模擬，驗(yàn)證上述螺旋槽管傳熱強(qiáng)化機(jī)理.通過計(jì)算其場協(xié)同角，得到光管的體平均場協(xié)同角β為88.93°，而3號(hào)管的體平均場協(xié)同角 β 為87.83°.由場協(xié)同原理［10］可以知道，場協(xié)同角越接近90°，速度和溫度矢量之間的場協(xié)同效果越差，即管內(nèi)流體流動(dòng)對(duì)管內(nèi)的換熱幾乎不起作用，管內(nèi)流體與外界的換熱主要是通過管壁邊界層與外界導(dǎo)熱進(jìn)行，故光管的換熱效果比3號(hào)管差.筆者還計(jì)算了其他幾根螺旋槽管在相同流量下的場協(xié)同角，發(fā)現(xiàn)均比光管的場協(xié)同角小，說明螺旋槽管的螺旋槽結(jié)構(gòu)改善了其內(nèi)部流場與溫度場之間的場協(xié)同程度，其換熱效果也較光管更好.

3 數(shù)值模擬結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

3.1 槽深e對(duì)流動(dòng)和換熱的影響

圖3和圖4為3種不同槽深螺旋管的阻力系數(shù)f和Nu數(shù)隨Re變化曲線.從圖3中可以明顯看出螺旋槽管螺距一定時(shí)，其Nu隨流量變大而增大.這主要是因?yàn)椴凵钤酱螅吔鐚邮艿降姆蛛x和旋轉(zhuǎn)越大，槽深過大時(shí)，起到很強(qiáng)的攪拌作用，加劇了邊界層的擾動(dòng)，使得邊界層內(nèi)產(chǎn)生了二次流和旋轉(zhuǎn)流，降低了壁面熱阻，所以增強(qiáng)了傳熱效果.從圖3可以看出槽深越深，其Nu數(shù)比光管增加的幅度就越大，3號(hào)管Nu數(shù)為66.4～194.2，而光管的Nu數(shù)為33.2～111.7，即3號(hào)管Nu數(shù)約為光管的1.7～2.0倍.從圖4可以看出，在流量和節(jié)距一定時(shí)，很明顯槽深越深，其阻力系數(shù)越大.這是因?yàn)椋凵钤酱螅黧w的突縮、突擴(kuò)作用越明顯，邊界層的脫離程度加大，邊界層內(nèi)的流體出現(xiàn)回流甚至出現(xiàn)漩渦，導(dǎo)致流體的能量出現(xiàn)很大的損失.筆者計(jì)算的管子中，最大阻力系數(shù)為0.197 2，約為光管的6.8倍.因此結(jié)合上述兩圖，可以發(fā)現(xiàn)增加強(qiáng)化傳熱效果往往是以增加阻力降和泵功為代價(jià)的.

3.2 節(jié)距p對(duì)流動(dòng)和換熱的影響

圖5和圖6為3種不同節(jié)距螺旋槽管的阻力系數(shù)f和Nu數(shù)隨Re變化曲線圖.從圖中可以看出，當(dāng)槽深一定時(shí)，節(jié)距越小，換熱效果越好，阻力系數(shù)越大.其中4號(hào)管Nu數(shù)約比光管增加了0.7～0.9倍，阻力系數(shù)約為光管的7～9倍.這主要是因?yàn)椴凵钜欢〞r(shí)，若采用大節(jié)距，則在相鄰兩個(gè)螺旋槽之間的壁面上會(huì)出現(xiàn)這樣一段區(qū)域，在這段區(qū)域中前一個(gè)螺旋槽產(chǎn)生的對(duì)邊界層的擾動(dòng)已經(jīng)減弱，但后一螺旋槽對(duì)邊界層的擾動(dòng)作用尚未形成，并且這段區(qū)域隨著節(jié)距的增加而增加.所以，在相同槽深、相同流量情況下，節(jié)距越小對(duì)流體邊界層的分離作用越明顯，從而使換熱增強(qiáng)，同時(shí)阻力變大.

3.3 滾球半徑r對(duì)流動(dòng)和換熱的影響

以往的許多研究者在整理實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式的時(shí)候只將槽深e和節(jié)距p作為主要結(jié)構(gòu)參數(shù)加以考慮，而忽略螺旋槽管凸出物形狀對(duì)其的影響，鑒于此，筆者對(duì)凸出物形狀進(jìn)行了分析.目前螺旋槽管加工方式有軋制法;拉拔法、滾壓法.筆者所考慮的加工制造方法為滾壓法.就是利用帶滾輪的滾壓工具，以一定的壓力在待加工管材表面作相對(duì)滾動(dòng)，使金屬表面產(chǎn)生塑性變形，加工出圓弧形、錐形凹槽以及其它形狀的外表面.凸出物輪廓線可看成由不同曲率半徑的圓弧相切而成，文中用滾壓工具形成的凸出物圓弧半徑r來表征凸出物的形狀.

通過對(duì)比3種不同滾球直徑螺旋槽管，如圖7、8所示，可以發(fā)現(xiàn)在研究范圍內(nèi)，滾球半徑對(duì)于換熱的影響比較小，在相同流量下，7號(hào)管的阻力系數(shù)與3號(hào)管相比最多可以減小約16%，可見滾球半徑r對(duì)阻力的影響比較大，因此在符合加工要求的前提下，建議盡量減小滾球半徑的大小，以減小所需的阻力降和泵功.

4 結(jié)論

(1)通過數(shù)值模擬，研究了以空氣為介質(zhì)的7根不同結(jié)構(gòu)參數(shù)螺旋槽管中的流動(dòng)與傳熱特性，并與光管進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明螺旋槽管傳熱與流阻性能明顯好于光管.

(2)分析了螺旋槽管強(qiáng)化傳熱的機(jī)理，認(rèn)為其場協(xié)同程度得到改善是其傳熱效果強(qiáng)于光管的主要原因.

(3)在相同流量下，節(jié)距一定時(shí)，槽深越深，換熱效果越好，但同時(shí)阻力也越大.

(4)在相同流量下，槽深一定時(shí)，節(jié)距越小，流體邊界層分離作用越明顯，使得管內(nèi)換熱越強(qiáng)，流動(dòng)阻力也隨之增大.

(5)對(duì)螺旋槽管制造時(shí)的滾球半徑進(jìn)行了初步探討，結(jié)果表明滾球半徑對(duì)換熱的影響比較小，對(duì)流動(dòng)阻力的影響卻比較大.

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