波節(jié)管強化傳熱的三維數(shù)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(jié)管傳熱器具有傳熱效率高、不易結(jié)垢和熱補償性好等優(yōu)點[1]。采用數(shù)值模擬方法對傳熱管管內(nèi)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(nèi)流速分布和溫度分布。目前，大量關(guān)于波節(jié)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(jīng)無法滿足研究的要求。為此，本文在前人二維模擬的基礎(chǔ)上建立三維模型，對波節(jié)管的管內(nèi)流動及傳熱特性進行分析，以對真實管內(nèi)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(xié)同理論與波節(jié)管強化傳熱機理的研究奠定基礎(chǔ)。

1 場協(xié)同原理簡介

文獻[2]最初提出場協(xié)調(diào)原理是針對穩(wěn)態(tài)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(shù)）與局部時均參數(shù)的關(guān)系式，并進行數(shù)值驗證；從而提出了三維場協(xié)同關(guān)系式

式中， Nu、Re、Pr分別表示努塞爾數(shù)、雷諾數(shù)和普朗特數(shù)；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(xié)同原理就是指速度場與溫度梯度兩個矢量場的協(xié)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]。……