內(nèi)插自振彈簧換熱管脈沖流強化換熱數(shù)值分析

徐建民，胡小霞，彭 坤，余海燕，黃 偉

(武漢工程大學(xué)機電工程學(xué)院，湖北 武漢 430205)

0 引 言

大量研究發(fā)現(xiàn)，直通道中脈沖流動強化換熱傳質(zhì)作用很小，但對于通道中有周期性幾何結(jié)構(gòu)時，情形不同[7].流體的擾動和摻混是強化傳熱、傳質(zhì)的一個主要因素，利用脈動流動技術(shù)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(yīng)用Fluent 6.3軟件對等壁溫條件下，內(nèi)插自振彈簧換熱管中分別通入穩(wěn)態(tài)流和脈沖流時，管內(nèi)的速度場和溫度場.進而分析不同參數(shù)的脈動流對內(nèi)插自振彈簧強化換熱的影響.

1 計算模型及邊界條件

在數(shù)值模擬計算中，由于內(nèi)插自振彈簧換熱管管內(nèi)的流體流動有軸向流、徑向流和周向流，又因彈簧自身的結(jié)構(gòu)特點，所以對內(nèi)插自振彈簧進行三維建模.取彈簧長l′=300 mm，節(jié)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(nèi)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(zhì)為水，溫度為333 K.

圖1 換熱管內(nèi)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(wǎng)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(fēng)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(tài)入口速度(m/s)，v0為穩(wěn)態(tài)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?yōu)榉€(wěn)態(tài)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(shè)定脈沖流強化換熱系數(shù)R=km/kw，其中，km，kw分別為脈沖流和穩(wěn)態(tài)流條件下傳熱系數(shù).

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

2 計算結(jié)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(nèi)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(shù)對流場的影響

為了分析脈沖流參數(shù)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(nèi)插自振彈簧換熱管中，通入脈沖流比通入穩(wěn)態(tài)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(shù)，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(tài)，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(shù)對溫度場的影響

圖6表示在內(nèi)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(shù)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(shù)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(shù)隨頻率的變化很小，幾乎不受頻率的影響.

圖6 傳熱系數(shù)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(nèi)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(shù)隨振幅的變化曲線.由圖可知，當脈沖頻率一定時，傳熱系數(shù)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(shù)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(jié) 語

研究運用Fluent軟件對內(nèi)插自振彈簧分別通入穩(wěn)態(tài)流和不同參數(shù)脈沖流情況下的流場和溫度場進行了分析，總結(jié)如下：

(1)內(nèi)插自振彈簧換熱管出口平均壓力呈現(xiàn)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(nèi)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(nèi)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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