T型翅片管管外沸騰強化傳熱的數值模擬研究

秦政　劉闖　曹凱　門啟明　杜柯江

T型翅片管管外沸騰強化傳熱的數值模擬研究

秦政*1劉闖2曹凱3門啟明1杜柯江1

（1.上海船用柴油機研究所2.中國石油吉林石化化肥廠3.中國石油吉林石化建修公司）

利用計算流體力學軟件Fluent，對T型翅片管和光滑管管外沸騰強化傳熱進行了數值模擬研究。結合T型翅片管的結構特點，分析了該換熱管的沸騰強化傳熱機理。在所研究的范圍內，T型翅片管管外沸騰傳熱系數最大時高于光滑管23.2%，強化傳熱效果明顯。同時，綜合評價了T型翅片管強化傳熱和增加壓降的性能。研究結果表明，其強化傳熱綜合性能評價因子在不同流速下均大于1，說明T型翅片管有較好的強化傳熱效果。

T型翅片管沸騰強化傳熱數值模擬換熱管流速壓降

0　引言

沸騰強化傳熱是強化傳熱技術中的一個重要領域。沸騰強化傳熱主要是通過多孔表面增加汽化核心的方法來進一步提高設備的換熱效率，更合理地利用能源［1-2］。

根據制造方法的不同可將多孔表面分為兩類，一類為多孔覆蓋表面，另一類為多孔開孔表面。所謂多孔覆蓋表面，就是在換熱面上通過燒結、電鍍等方法加工一層多孔層；所謂開孔表面，就是通過機械方法或者其他方法在光滑換熱面上加工出凹槽、細縫等容易形成汽化核心的表面結構［3-4］。本文研究的T型翅片管，其換熱表面就是一種典型的機械加工多孔表面，具有加工過程簡單、制造成本低等優點［5］。

T型翅片管在1978年就已問世，具有良好的沸騰強化傳熱效果，已得到了廣泛的應用［6］。近年來，隨著數值模擬技術的逐漸完善，大量強化傳熱研究采用CFD軟件進行，但目前尚未見到采用數值模擬方法對T型翅片管管外沸騰傳熱進行研究的公開報道。本文利用Fluent 14.0中的沸騰模型對T型翅片管管外沸騰傳熱進行模擬。結合其管外溫度、氣相體積分數分布等數據信息，探討T型翅片管管外沸騰強化傳熱的機理。本研究也為Fluent軟件在沸騰傳熱研究領域的應用提供了一定的參考。

1　求解設置及邊界條件

本文研究的T型翅片管結構及幾何參數如圖1所示。考慮到數值模型的簡化以及網格劃分問題，數值模型只保留200 mm的換熱管長度。

圖1　T型翅片管結構

用于對比的直管模型與T型翅片管相同，為?25×2.5×200換熱管。由于T型翅片管翅片尺寸相對較小，導致三維模型需要大量的網格，使計算變得更加復雜，且換熱管為對稱模型，因此本文采用一半換熱管的二維模型進行計算。

數值模擬對象為管外沸騰強化傳熱，因此只建立了管外流動區域，其區域寬度為換熱管間距的一半15.8 mm，長度為200 mm。

圖2為T型翅片管翅片部分網格劃分情況，可以看出，翅片部分網格較細。沿著遠離翅片的流體區域，網格逐漸變粗，并有平滑的過渡。對于上述兩種換熱管劃分若干種不同尺寸的網格并進行網格無關解驗證，最終得到光滑管網格數為3800左右，T型翅片管網格數較多，為40 800左右。

圖2　翅片部位網格劃分

選擇歐拉多相流模型中的沸騰模型（boiling model），在沸騰選項中選擇RPI沸騰模型（RPI boiling model）。黏度選擇標準k-epsilon模型，并選擇標準壁面方程（standard wall functions）。在Phases選項卡下Interaction中選擇適用于本工況沸騰計算的計算模型。

設置模型左側邊為速度進口，右側邊為壓力出口，出口壓力為常壓。計算進口流速分別為1.2 m/s、1.4 m/s、1.6 m/s、1.8 m/s和2.0 m/s時管外沸騰傳熱情況。光管下側邊和翅片管翅片側為壁面邊界，給定恒定壁溫105℃，模型上部直邊段設置為絕熱壁面。為了更加明顯地觀察沸騰現象，給定入口為飽和水（水溫為100℃）。

設置速度壓力求解器為Coupled，其余均為二階迎風格式（second order upwind）。松弛因子根據Fluent幫助文檔中推薦值進行設置。

計算過程中監測出口的氣相體積分數，以此來判斷計算是否收斂。

2　計算結果分析

2.1速度云圖分析

圖3　T型翅片管管外氣相速度矢量圖

圖3為流速1.2 m/s時T型翅片管管外氣相速度矢量圖。由圖3可以看出，在流動區域內，氣相速度逐漸增大，最大速度達到2.34 m/s，大于給定進口速度1.2 m/s。這是由于氣體在產生過程中不僅受到流動液體的作用沿著流動方向繼續流動，而且受到浮升力作用，兩者疊加使流速增大。同時，氣泡的產生和破滅會不斷擾動主流區域，使主流的湍流程度增加，也會使部分區域的流速增大。圖中對換熱管末端翅片部位的氣相速度矢量圖進行了放大，可以看到，翅片位置產生的氣相均在浮升力的作用下，朝著遠離加熱面的方向流動。而且與主流區域相比，翅片位置液體流動并不劇烈，流速僅為0.2 m/s左右。

圖4為光滑管管外沸騰工況下氣相速度矢量圖，氣相流速最大為1.42 m/s，小于T型翅片管的2.34 m/s。而且光滑管外流動比較有規律，其速度矢量基本上為平行矢量，方向也基本相同。也就是說，由于光滑管管外沒有凹坑和凸出物，相對而言不容易生成汽泡。此外，翅片能夠間接增大傳熱面積，因而翅片管更有利于傳熱。

圖4　光滑管外氣相速度矢量圖

2.2氣相分率及壓降分析

將進口流速為1.2 m/s時T型翅片管和普通光滑管計算域中心線上氣相體積分數值示于圖5中，圖5（a）為T型翅片管氣相體積分數分布，圖（b）為光滑管氣相體積分數分布。可以看出，沿著中心線方向，兩種換熱管氣相體積分數均呈遞增趨勢，且在流體流過一段距離后，增長速度增快。對比兩種換熱管管外氣相分布可以看出，T型翅片管管外氣相體積分數大，兩者最大值相差13%左右，而光滑管中心線氣相體積分數最大也只有7%。在進口流速及換熱管壁面溫度均相同的條件下，T型翅片管產生的蒸汽量大，傳熱量遠大于普通光滑管。

圖5　換熱管中心線氣相體積分數分布

圖6為兩種換熱管沿中心線上混合相壓力分布情況，圖中橫坐標為中心線上位置，縱坐標為混合相壓力。兩種換熱管壓降趨勢相同，沿著流動方向逐漸降低。不同的是，由于翅片導致了更大的摩擦阻力損失，T型翅片管管外計算域中心線上壓降更大，達到650 Pa左右，而光滑管只有225 Pa。

圖6　換熱管中心線壓力分布

圖7　不同流速下換熱管管外氣相體積分數對比

數值計算了不同流速下T型翅片管和光滑管管外沸騰傳熱情況。圖7所示為不同流速下兩種換熱管管外平均氣相體積分數對比，隨著流速的增加，兩種換熱管管外氣相體積分數均呈減小趨勢。這種現象是由于流速的增加，使得冷流體受熱時間減少，冷流體無法得到充分的加熱，即在沸騰工況中冷流體沒有得到充分的沸騰，因此其氣相生成量也就隨著流速的增加而減小。

圖7也反應出T型翅片管沸騰傳熱能力強于光滑管，其管外平均氣相體積分數遠遠高于光滑管。流速為1.2 m/s時管外氣相為光滑管的3.7倍多，2.0 m/s時最大，達到4.5倍。機械加工得到的管外凹坑為氣泡的形成提供了極為有利的條件，氣泡的生成和破滅同時也在一定程度上增加了流動的湍流程度，進一步強化了換熱管外沸騰傳熱。另外，T型翅片管也在很大程度上增加了換熱管的有效換熱面積，使得傳熱量增大，氣泡生成量增多。

圖8為不同流速下兩種換熱管管外進出口壓力降對比，可以看出，隨著流速的增加，管外壓降呈上升趨勢，且T型翅片管上升速度更快，相差最多時為光滑管壓降的3倍左右。這是由于T型翅片管機加工表面引入了更大的流動阻力，因此對于這種強化換熱管的使用，不僅要考慮到其強化沸騰傳熱的優點，同時也要考慮其較大的流動壓降。

圖8　不同流速下換熱管管外壓降對比

從計算結果中調出傳熱面上的熱流量，再根據壁溫和流體溫度計算得到兩種換熱管的管外側沸騰傳熱系數，將其繪于圖9中，圖中橫坐標為流體流速，縱坐標為傳熱系數。對比兩種換熱管的傳熱系數發現，T型翅片管管外沸騰傳熱系數在不同流速下均高于光滑管，平均高于光滑管20%左右。在低流速下強化沸騰傳熱效果更加明顯，1.2 m/s時達到23.2%；2.0 m/s時強化效果較差，也有18.7%。因此，機械加工表面T型翅片管對于管外沸騰強化傳熱效果明顯，而且在低流速下強化效果更好。

圖9　不同流速下換熱管管外傳熱系數對比

2.3強化傳熱綜合性能評價

強化傳熱通過傳熱評價因子η來評估。當η大于1時，表明在相同的換熱管輸送功率下，強化傳熱管傳遞的熱量大于基準管。η值越大，傳熱管增強傳熱的能力越強。η計算式如下所示：

式中Nu——努賽爾數，無因次；

f——阻力因子，無因次；

下標0——表示光滑管。

圖10　流速和η關系曲線

圖10為T型翅片管強化傳熱綜合性能評價因子η隨流速的變化情況，圖中的η都大于1，說明T型翅片管有很好的強化傳熱效果。由圖10可見：η值隨流速的增大而減小，在低流速情況下η值較大，強化沸騰傳熱效果較好，而在高流速情況下η值相對更趨近于1，強化傳熱效果相對不明顯。這是由于在低流速時，翅片管生成汽泡較多，同時造成了相對比較強烈的擾動；而在流速較高時，汽泡沒有低流速時產生量多，且流速較高時本身湍流程度會比較高，此時擾動影響的比例就會比較小。

3　結論

（1）機械加工得到的管外凹坑可以產生大量的汽化核心，使得T型翅片管的汽泡生成和破滅頻率非常高，這一過程產生的擾動破壞流體與管道壁面之間的邊界層，使傳熱得到強化。另一方面，T型翅片管也在很大程度上增加了換熱管的有效換熱面積，使得傳熱量增大，氣泡生成量增多。在本文研究范圍內，流速為1.2 m/s時管外氣相為光滑管的3.7倍多，2.0 m/s時最大，達到4.5倍。

（2）對比T型翅片管與光滑管的管外沸騰傳熱系數發現，T型翅片管管外沸騰傳熱系數在不同流速下均高于光滑管，平均高出光滑管20%左右。在低流速下強化沸騰傳熱效果更加明顯，1.2 m/s時達到23.2%，2.0 m/s時強化效果較差，也有18.7%。

（3）在提高傳熱效率的同時，翅片結構也相應地引入了更大的流動阻力，使管外流動的進出口壓降增大。但其強化傳熱綜合性能評價因子η在不同流速下均大于1，說明T型翅片管有很好的強化傳熱效果。在低流速情況下，沸騰強化傳熱效果較好；在高流速情況下，強化效果相對不明顯。

［1］林宗虎.強化傳熱及工程應用［M］.北京：機械工業出版社，1987.

［2］朱冬生，錢頌文，馬小明，等.換熱器技術及發展［M］.北京：中國石化出版社，2008.

［3］Gottzmann C F，et al.High efficiency heat exchangers［J］.Chemical Eng Progress，1973，69（7）：69-75.

［4］李冀.多孔表面管在煉油裝置上的應用［J］.石油煉制與化工，1999，30（11）：64-65.

［5］莊禮賢，崔乃英，阮志強，等.機械加工表面對空管的沸騰傳熱試驗［J］.工程熱物理學報，1982，3（3）：242-248.

［6］梁龍虎.T型翅片管重沸器傳熱性能研究與工業應用［J］.煉油設計，2001，31（4）：20-22.

Numerical Simulation on the Boiling Heat Transfer Performance of the GEWA-T

Qin ZhenLiu ChuangCao KaiMen QimingDu Kejiang

The Fluent software was induced to simulate the boiling heat transfer performance of the GEWA-T and the plain tube.The boiling heat transfer enhancement mechanism of the GEWA-T was illustrated in detail. During the simulation，the heat transfer coefficient of the GEWA-T was about 23.2%bigger than the plain tube，meanwhile，the performance of the heat transfer enhancement and larger pressure drop of GEWA-T was illustrated. The result showed that whatever the flow rate was，the comprehensive performance factor of the GEWA-T was always bigger than 1，which means that the GEWA-T has a better tube outside boiling heat transfer performance than the plain tube.

GEWA-T；Boiling；Heat transfer enhancement；Numerical simulation；Heat exchange tube；Flow rate；Pressure drop

TQ 051.5

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2016.10.012

2015-10-28）

*秦政，男，1990年生，碩士研究生。上海市，201203。