波節管強化傳熱的三維數值模擬分析研究

馬小晶，胡申華，閆亞嶺

（1.新疆大學電氣工程學院，新疆 烏魯木齊 830046；2.新疆電力科學研究院，新疆 烏魯木齊 830011）

0 引言

波節管傳熱器具有傳熱效率高、不易結垢和熱補償性好等優點[1]。采用數值模擬方法對傳熱管管內流場和溫度場進行研究，可以得到實驗方法無法得到的管內流速分布和溫度分布。目前，大量關于波節管的模擬計算僅限于二維，將實際的三維物理模型簡化為二維模擬模型已經無法滿足研究的要求。為此，本文在前人二維模擬的基礎上建立三維模型，對波節管的管內流動及傳熱特性進行分析，以對真實管內的速度場和溫度場有更加清楚、直觀、真實的了解與認識，為進一步探索場協同理論與波節管強化傳熱機理的研究奠定基礎。

1 場協同原理簡介

文獻[2]最初提出場協調原理是針對穩態二維層流邊界層流動提出來的，但通過廣泛的實證研究[3-4]已推廣到三維和湍流流動。文獻[5]從能量方程的一般形式導出湍流Nu（努塞爾數）與局部時均參數的關系式，并進行數值驗證；從而提出了三維場協同關系式

式中， Nu、Re、Pr分別表示努塞爾數、雷諾數和普朗特數；β為速度矢量與熱流矢量的夾角；為速度矢量；?為無量綱的溫度梯度。

從式（1）、（2）可以看出，改變流速、溫差、流體的物性或者改變Re和Pr均可以控制對流傳熱的強度；同時，從矢量點積還可以看出，流體速度矢量與熱流矢量的夾角β對對流傳熱的強度起著很重要的作用。場協同原理就是指速度場與溫度梯度兩個矢量場的協同，即一定的速度和溫度梯度下，減小二者之間的夾角可強化對流傳熱，所以應盡可能使兩者平行[6-8]。……