納米流體在內(nèi)置扭帶管中的流動(dòng)傳熱特性研究進(jìn)展

劉文盛，邢震，楊鶴 ，趙磊

（遼寧石油化工大學(xué)，遼寧 撫順 113000）

能源是工業(yè)社會(huì)發(fā)展的動(dòng)力之源，隨著世界能源消耗日益增大，能源短缺已經(jīng)成為當(dāng)下不得不解決的問題。換熱是工業(yè)生產(chǎn)以及社會(huì)生活中必不可少的過程，在這個(gè)過程中往往伴隨著大量的能源消耗。因此提升換熱效率勢(shì)在必行，而換熱器作為最常用的熱交換設(shè)備，吸引了大量研究人員對(duì)其進(jìn)行研究。在眾多研究中，被動(dòng)強(qiáng)化換熱由于長(zhǎng)期可持續(xù)性以及維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，受到眾多研究人員青睞。扭帶內(nèi)插物作為常見的被動(dòng)強(qiáng)化換熱元件，其具有簡(jiǎn)單易操作、成本低等優(yōu)點(diǎn)，成為研究重點(diǎn)。

扭帶已被廣泛應(yīng)用于管內(nèi)以提高管內(nèi)的傳熱性能，并且對(duì)壓降的影響較小。在內(nèi)置扭帶的管道中，沿管道軸向流體速度較高，產(chǎn)生旋流，從而產(chǎn)生較高的傳熱。此外，扭帶提供了一種類似于擾流器的混合流，有助于強(qiáng)化傳熱。

LIM[1]等通過實(shí)驗(yàn)的手段研究了在層流狀態(tài)下使用可變和恒定泵浦功率的扭帶插入管。其研究結(jié)果表明，扭帶可以增強(qiáng)對(duì)流換熱，但同時(shí)壓降也隨之增加，而壓降的增加主要?dú)w因于二次旋流。其還對(duì)裝有內(nèi)置扭帶的層流逆流同心圓管換熱器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明，扭帶的使用使得摩擦因數(shù)提高了10倍，與此同時(shí)努塞爾數(shù)也得到了提高，數(shù)值為3倍。

SHELARE[2]等綜述了近年來扭帶強(qiáng)化傳熱的研究進(jìn)展，還揭示了未來對(duì)扭帶的研究，這將使換熱器裝置得到更好改進(jìn)，并為各種改進(jìn)方法提供了思路，以實(shí)現(xiàn)傳熱改進(jìn)的新進(jìn)展

而在換熱工質(zhì)上，納米流體作為新興的換熱工質(zhì)，具有傳統(tǒng)換熱工質(zhì)如水、導(dǎo)熱油等不具備的高導(dǎo)熱性的特點(diǎn)，于是研究人員將二者結(jié)合進(jìn)行雙重強(qiáng)化換熱。在現(xiàn)有的研究中，很多研究人員已經(jīng)對(duì)此進(jìn)行了相關(guān)研究。

JU[3]對(duì)換熱管內(nèi)多根半螺帶插入物的水熱性能進(jìn)行了三維數(shù)值研究，旨在尋找使用納米流體（Al2O3/水）具有最高傳熱強(qiáng)化和最低摩擦因數(shù)的最佳情況。研究發(fā)現(xiàn)，增加半扭帶的數(shù)量增加了旋流的數(shù)量，并導(dǎo)致局部努塞爾數(shù)和摩擦因數(shù)的增加。當(dāng)基液雷諾數(shù)為1 000時(shí)，隨著半扭帶數(shù)量從0增加到4，平均努塞爾數(shù)從15.13增加到28.42，平均摩擦因子從0.022增加到0.052。當(dāng)雷諾數(shù)從250增加到1 000時(shí)，為基液。對(duì)于雷諾數(shù)為1 000，納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0增加到3%，平均努塞爾數(shù)和摩擦因子分別提高了6.41%和2.29%。這項(xiàng)工作為使用多個(gè)半扭曲帶的扭曲帶與管集成的先進(jìn)設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)，有助于為太陽能應(yīng)用提供更高的能源需求。

HE[4]等在使用納米流體的湍流流體流動(dòng)條件下，考察了在管中使用雙分離扭帶與單扭帶相比的效果，采用單相和兩相（混合物）模型對(duì)CuO-水納米流體在不同固體體積分?jǐn)?shù)（1%～ 4%）管內(nèi)的流動(dòng)和傳熱進(jìn)行了數(shù)值模擬。雷諾數(shù)從3 000到36 000不等。研究了CuO-水納米流體對(duì)努塞爾數(shù)、摩擦因數(shù)和性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響。研究發(fā)現(xiàn)，與單相模型相比，采用兩相混合模型可以得到更接近實(shí)際的結(jié)果。結(jié)果表明，單根扭帶管的最大性能效率系數(shù)為2.18，而相同條件下雙根扭帶管的最大性能效率系數(shù)為2.04。因此，從熱-流動(dòng)力學(xué)角度考慮，使用單扭帶更有利。

張昌建[5]等通過實(shí)驗(yàn)的方法研究了內(nèi)置螺旋扭帶換熱器的換熱特性，實(shí)驗(yàn)在一個(gè)冷態(tài)的工況下進(jìn)行。研究結(jié)果表明，通過使用螺旋扭帶，可以加強(qiáng)管道的換熱效果。然而隨著流速的提高，換熱效果有所下降。

SHEIKHOLESLAMI[6]等基于熱力學(xué)第一、第二定律研究了湍流狀態(tài)下CuO/水納米流體在扭曲帶插入管中的作用。結(jié)果表明，二次流隨轉(zhuǎn)數(shù)的增加而增加，Bejan數(shù)和總熵隨著螺距比的增大而增大，但它們隨雷諾數(shù)和高度比的增大而減小。

除了上述研究，研究人員還提出了多種組合方式，研究了扭帶的扭轉(zhuǎn)比、表面開孔以及納米流體濃度等對(duì)增強(qiáng)換熱的影響。由于大量的組合性導(dǎo)致在工程實(shí)際中往往難以選擇，所以本文綜述前人研究結(jié)果，力求整理的數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)際生產(chǎn)有一定的指導(dǎo)意義。

1 扭帶的分類及應(yīng)用

1.1 扭帶的分類

自1960年以來，專家和設(shè)計(jì)師已經(jīng)進(jìn)行了幾項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，以檢查不同扭帶的熱工水力執(zhí)行情況。扭帶可以用鋁、銅、鋼或聚合物塑料的合理方法制成各種結(jié)構(gòu)。不同材料適用于不同區(qū)域和特定環(huán)境。不過扭帶最主要的特征在于扭轉(zhuǎn)比，其表達(dá)式如式（1）所示，扭帶特征示意圖如圖1所示。

圖1 扭帶特征示意圖

除此之外，研究人員對(duì)于扭帶進(jìn)行改變，以求得到更好的傳熱效果，表1為常見扭帶類型。扭帶的形式遠(yuǎn)不止于此，其中在扭帶中心開孔的類型就包括圓孔、方孔以及矩形開口等，同樣在邊緣切角的形式也有很多種，其中開孔的距離大小等都會(huì)影響傳熱的結(jié)果，這些都需要進(jìn)一步討論。

表1 常見扭帶

1.2 扭帶的應(yīng)用

基于種類繁多的扭帶類型，很難作出一個(gè)統(tǒng)一比較。因?yàn)樵陉P(guān)聯(lián)具體工況后會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的流動(dòng)與換熱情況，這些扭帶在不同雷諾數(shù)以及不同的換熱工質(zhì)下都有獨(dú)特的表現(xiàn)，同時(shí)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的扭帶往往會(huì)帶來一些負(fù)面效應(yīng)，例如說易結(jié)垢、難清理等問題。

傳統(tǒng)扭帶作為最經(jīng)典的扭帶類型，也是迄今為止使用最為廣泛的扭帶，研究人員對(duì)其的研究結(jié)論幾乎一致，關(guān)于扭轉(zhuǎn)比，盡管研究人員所使用的非同一扭轉(zhuǎn)比，但是還是比較容易發(fā)現(xiàn)，最佳換熱性能的扭轉(zhuǎn)比在Y=2附近。BAHIRAEI[8]等研究了扭轉(zhuǎn)比為2.5、3.0、3.5條件下的換熱性能，結(jié)果表明最佳扭轉(zhuǎn)比為2.5。苗艾印[14]等為優(yōu)化螺旋扭帶的結(jié)構(gòu)參數(shù)，后續(xù)進(jìn)行了3種扭率下（Y為1、2、3）內(nèi)置螺旋扭帶管的數(shù)值模擬，結(jié)果表明扭率Y=2時(shí)螺旋扭帶的綜合傳熱性能較好。孫斌[15]等對(duì)納米流體在內(nèi)置螺旋扭帶管的傳熱進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明，在扭轉(zhuǎn)比Y在2.5～7.5的范圍內(nèi)，扭轉(zhuǎn)比越小努賽爾數(shù)Nu越大，換熱效果越好。在其他變量一致時(shí)，扭轉(zhuǎn)比越小，內(nèi)置扭帶所帶來的換熱效果提升就越大。

此外，EIAMSA-ARD[7]等對(duì)雙扭帶管進(jìn)行了研究，在扭轉(zhuǎn)比Y為2.5～4.0的區(qū)間下比較了正反雙扭帶的傳熱效果，其結(jié)論與傳統(tǒng)扭帶一致，扭轉(zhuǎn)比的減小有助于提高換熱效果。而在上述結(jié)論中也發(fā)現(xiàn)，在扭轉(zhuǎn)比為Y=1時(shí)的綜合換熱效果要低于Y=2。原因在于，扭帶的使用增加了流體在管內(nèi)的換熱時(shí)間，同時(shí)在扭帶附近產(chǎn)生較大的速度激增，對(duì)于黏性邊界層與傳熱邊界層造成極大破壞，從而提高了傳熱效果，而扭轉(zhuǎn)比持續(xù)減小會(huì)對(duì)管內(nèi)流動(dòng)產(chǎn)生較大的阻力，所以降低了綜合傳熱系數(shù)，這個(gè)阻力隨著雷諾數(shù)的增加會(huì)進(jìn)一步加大，這是在工程實(shí)際中需要考慮的。

另一方面，WANG[10]等對(duì)于帶孔扭帶進(jìn)行了研究，結(jié)果表明扭帶上的孔可以強(qiáng)化換熱性能，管內(nèi)流動(dòng)溫度隨孔間距的增大而降低。在進(jìn)行研究的3種孔形狀，圓形、方形和三角形中，圓形孔產(chǎn)生的換熱效果最好，在摩擦阻力上，帶孔的扭帶會(huì)產(chǎn)生更大的阻力，隨著孔間距的降低而增大。PANELIYA1[13]等考慮了變螺距對(duì)于內(nèi)置扭帶管的換熱性能影響，如圖2所示，對(duì)比了3種螺距扭帶下?lián)Q熱效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，變螺距扭帶的傳熱效果要優(yōu)于等螺距扭帶及光管，與光管相比，變螺距扭帶的傳熱速率和總傳熱系數(shù)分別提高了2.58倍和3.39倍。

圖2 變螺距扭帶

2 納米流體在內(nèi)置扭帶管中的傳熱

2.1 納米流體的概念

納米流體這一概念自從1998年由CHOI[16]等提出后，受到了眾多研究人員的青睞。在換熱領(lǐng)域，研究人員把它作為替代水、油等傳統(tǒng)工質(zhì)的新興換熱工質(zhì)。在搭配內(nèi)置螺旋扭帶管的雙重強(qiáng)化換熱下，兩者結(jié)合擁有著不俗的換熱性能提升，在兩者搭配使用的同時(shí)，除了扭帶的性能參數(shù)需要討論以外，在搭配納米流體后更需要進(jìn)一步研究二者的性能。高濃度納米流體會(huì)帶來更大的導(dǎo)熱系數(shù)的提升，然而與此同時(shí)帶來的高黏性同樣制約著換熱效果的提升，所以在一個(gè)合理的范圍內(nèi)使用納米流體是有必要的。

2.2 納米流體濃度的影響

納米流體的濃度直接影響換熱效果，在現(xiàn)有的針對(duì)內(nèi)置螺旋扭帶管搭配納米流體的研究中，大量研究人員的研究結(jié)果表明，提升納米流體的濃度會(huì)獲得更好的換熱效果。BAHIRAEI[8]等使用了石墨烯納米片的環(huán)保型納米流體在用扭帶強(qiáng)化的管道中進(jìn)行了研究。可變參數(shù)包括轉(zhuǎn)速、扭曲比和納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)，并評(píng)估了它們的影響。結(jié)果表明，隨著納米流體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0提升到0.1%，管道內(nèi)壓降提升，整體的換熱性能有所提升。

胡旺盛[17]等搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用兩步法制備了Al2O3-水納米流體，重點(diǎn)研究了質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1%～3%下的Al2O3-水納米流體的傳熱特性，他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在雷諾數(shù)20 000～65 000的湍流工況下，如果增加納米流體的濃度，那么就會(huì)增強(qiáng)總體的換熱效果。而隨著雷諾數(shù)的增大，這個(gè)增強(qiáng)的效果在減弱。此外他們還制備了Al2O3/CuO-水混合納米流體，相同條件下混合納米流體的傳熱性能相對(duì)于單納米流體有所提升，但沒有顯著優(yōu)勢(shì)。

DALKILI?[12]實(shí)驗(yàn)研究了四通道扭帶插入的水平光滑管內(nèi)Graphite-SiO2/Water混合納米流體的湍流換熱特性。以純水為基液，使用2種不同的納米顆粒（60% Siliciumdioxid、40% Graphite）得到混合納米流體。實(shí)驗(yàn)針對(duì)2種不同的體積分?jǐn)?shù)，分別為0.5%和1%。四通道扭轉(zhuǎn)帶插入件的長(zhǎng)度在0～42 cm之間，扭轉(zhuǎn)比恒定為5。雷諾數(shù)為3 400～11 000。結(jié)果表明，混合納米流體的努塞爾數(shù)隨著質(zhì)量流量和體積分?jǐn)?shù)的增加而增加。此外，摩擦阻力隨著體積分?jǐn)?shù)的增加而增加。

2.3 納米流體其他參數(shù)對(duì)換熱的影響

除了濃度以外，納米顆粒的屬性也對(duì)換熱過程產(chǎn)生著重要的影響。ZHANG[18]等探究了以空氣為基的納米流體在扭帶管中的換熱，發(fā)現(xiàn)由于布朗擴(kuò)散的影響，50 nm以下的納米顆粒的沉積明顯多于50 nm以上的納米顆粒。50～100 nm之間的納米顆粒的抗污染性差異較小。此外，發(fā)現(xiàn)污垢熱阻隨著Re的增加而減小。林清宇[19]等對(duì)納米顆粒的大小對(duì)換熱過程所產(chǎn)生的影響作出了相關(guān)研究，研究對(duì)象為納米顆粒粒徑為 30、40、50、60 nm 的 Al2O3-水基納米流體。研究結(jié)果表明，使用納米流體可以提高努塞爾數(shù)，而隨著納米顆粒粒徑的減小，提升效果也隨之減弱。另一方面，納米流體雖然擁有著良好的導(dǎo)熱性，但是其在循環(huán)過程中表現(xiàn)出不穩(wěn)定的特性，在一個(gè)長(zhǎng)期循環(huán)過程中極易發(fā)生團(tuán)聚、沉積等問題。這也是制約納米流體使用的關(guān)鍵性問題，大量的研究人員對(duì)于其穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，采用了分散劑、超聲振蕩等方法，但依舊不能使納米顆粒在基液中保持一個(gè)長(zhǎng)久的懸浮性，而較低濃度的納米流體在穩(wěn)定性上要好一些。

3 數(shù)值模擬設(shè)定及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

3.1 數(shù)值模擬設(shè)定

數(shù)值模擬近些年愈發(fā)成熟，其核心就在于將復(fù)雜的物理現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為可通過計(jì)算機(jī)求解的數(shù)學(xué)方程。數(shù)值模擬的使用讓研究人員節(jié)省了大量的實(shí)驗(yàn)成本，同時(shí)在一些難以控制的條件上可以通過參數(shù)化來實(shí)現(xiàn)絕對(duì)控制，例如絕熱條件，實(shí)驗(yàn)室中無法達(dá)到絕對(duì)的絕熱環(huán)境，而在數(shù)值模擬中卻可以輕易實(shí)現(xiàn)。對(duì)于納米流體在內(nèi)置扭帶管中的流動(dòng)與傳熱分析，已有大量的研究人員進(jìn)行了數(shù)值模擬。大多數(shù)的研究人員選擇了以下設(shè)定[20-25]。

1）對(duì)于進(jìn)口，選用速度入口；對(duì)于出口，選用壓力出口。

2）扭帶和管壁都是靜止且絕熱的。

3）假設(shè)納米流體的物性參數(shù)不隨著溫度發(fā)生變化。

4）施加恒定的熱通量。

5）對(duì)于湍流模型選取RNGk-e模型，使用壁面函數(shù)。

3.2 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

扭帶的使用提高了努塞爾數(shù)，但與此同時(shí)也增加了流體流動(dòng)的阻力。所以用努塞爾數(shù)來評(píng)價(jià)扭帶的性能是不準(zhǔn)確的，因?yàn)樵谧枇Φ淖饔孟逻€會(huì)造成能源消耗。因此在這個(gè)背景下，研究人員提出了使用PEC性能評(píng)價(jià)指標(biāo)來衡量納米流體在內(nèi)置扭帶管中的強(qiáng)化傳熱效果。PEC值表示在相同的條件下，泵功下強(qiáng)化換熱管與光管傳熱性能的對(duì)比。如果PEC的值比1大，那么就說明該換熱裝置具有強(qiáng)化傳熱的效果。而且PEC數(shù)值的大小也是傳熱效果的大小。到目前為止，PEC性能評(píng)價(jià)指標(biāo)是認(rèn)可度最高的方法，其計(jì)算公式如式（2）所示。

4 結(jié) 論

1）納米流體和內(nèi)置扭帶管共同作用下的換熱效果要優(yōu)于單獨(dú)使用。

2）降低扭帶的扭轉(zhuǎn)比會(huì)提高努塞爾數(shù)，但同時(shí)會(huì)增大摩擦阻力，最佳扭轉(zhuǎn)比在Y=2附近。

3）納米流體的濃度直接影響換熱效果，隨著濃度的增大，納米流體在內(nèi)置扭帶管中的換熱效果上升，但是由于納米流體不穩(wěn)定的特性，建議在一個(gè)較低的濃度下使用。

4）PEC是目前認(rèn)同最高的評(píng)價(jià)方法，可以用來評(píng)價(jià)納米流體在內(nèi)置扭帶管中的換熱性能。