螺旋槽管管內(nèi)傳熱與流動性能的數(shù)值模擬研究

吳錦京，曹 侃，魏新利

(1.麗水學(xué)院理學(xué)院，浙江麗水323000;2.河南省過程傳熱與節(jié)能重點實驗室，河南鄭州450002;3.鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院，河南鄭州450001)

0 引言

在石油、化學(xué)工業(yè)中，為最大限度地利用熱能、降低設(shè)備能耗，換熱設(shè)備進行強化傳熱研究越來越受到人們的關(guān)注.人們開發(fā)出了各種高效異形強化管，如螺旋槽管、橫紋槽管、螺紋翅片管、縮放管、波紋管及各種粗糙管等，并對其流動和傳熱特性進行了大量研究，取得了豐富的成果［1～4］.在諸多的強化管中，帶波狀表面的螺旋槽管與其他強化管相比，易于加工，抗污垢性能較好，易清洗，強化傳熱效果好，因而廣泛用于能源、化工等工業(yè)領(lǐng)域.Vicente通過對螺旋槽管中湍流流動時對流換熱的研究發(fā)現(xiàn)，在高Re數(shù)下螺旋槽管Nu數(shù)要比光管提高30%以上［5］.Zimparov通過實驗建立了數(shù)學(xué)模型，用以對內(nèi)置紐帶螺旋槽管充分發(fā)展湍流流動的阻力及換熱特性進行預(yù)測［6］.唐玉峰等人對空氣在螺旋槽管內(nèi)的對流換熱工況進行數(shù)值模擬，并利用場協(xié)同原理對強化傳熱的效果進行分析，得出了螺紋節(jié)距及螺紋高度對壁面場協(xié)同性能及傳熱性能的影響規(guī)律［7］.由于不同的研究者所采用的實驗方法不同，所得到的實驗關(guān)聯(lián)式相差較大，因此為了更好地研究螺旋槽管內(nèi)部流動與傳熱的情況，有必要對其進行數(shù)值模擬研究.

筆者采用周期模型以空氣為介質(zhì)對7根螺旋槽管的傳熱及流阻性能進行了數(shù)值模擬，并與圓形光滑管進行了比較.首先分析了螺旋槽管強化機理，認為其場協(xié)同程度得到改善是其傳熱效果強于光滑管的根本原因.同時還分析了管內(nèi)Re數(shù)、槽深e、節(jié)距p以及滾球半徑r對螺旋槽管換熱與流動阻力性能影響，可為換熱器設(shè)計與改造提供理論依據(jù).

1 計算模型和數(shù)值驗證

1.1 數(shù)值計算模型

筆者計算了7種不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的螺旋槽管，并將其與光管進行了對比.管子均選用Ф40×2 mm的有縫鋼管，分別考慮了槽深e，節(jié)距p以及滾球半徑r的影響.其具體結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1.

螺旋槽管的管內(nèi)流動屬于一種以幾何周期通道為周期的復(fù)雜流動，當(dāng)其充分發(fā)展時可以截取管道的1個或者幾個周期進行研究，筆者選取了3個周期進行模擬求解.利用大型CFD軟件Fluent對其建立數(shù)值模型，采用非結(jié)構(gòu)化的四面體網(wǎng)格進行網(wǎng)格劃分，最后對其進行網(wǎng)格無關(guān)性驗證，網(wǎng)格數(shù)量大約為6.1×104.筆者采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，壓力—速度耦合采用Simple算法，動量和能量方程均采用二階迎風(fēng)離散格式.收斂條件能量方程為10-8，其余均為10-6.邊界條件設(shè)置:進出口設(shè)為周期性邊界條件，質(zhì)量流量給定;空氣溫度設(shè)為室溫，物性假設(shè)為常物性，Tf=295 K;壁面設(shè)為恒壁溫，Tw=393 K，無滑移邊界條件.

表1 螺旋槽管結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Structural parameters of spirally fluted tubes

1.2 數(shù)值模擬驗證

為驗證數(shù)值模擬的正確性，將數(shù)值模擬結(jié)果與筆者實驗結(jié)果［8］進行對比.實驗臺為不同實驗管與管殼所組成的套管式換熱器，其中過量飽和水蒸氣在換熱器殼側(cè)冷凝，管內(nèi)走空氣.整套實驗裝置由供料系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)以及套管換熱器3部分組成.具體流程及實驗誤差分析文獻［8］已給出.其中采用數(shù)值模擬與實驗對照的螺旋槽管的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為:e=1.2 mm，p=20 mm，r=2 mm.計算結(jié)果如圖1、圖2所示，可以發(fā)現(xiàn)阻力系數(shù)模擬值與實驗值最大誤差不超過5%，換熱誤差最大不超過7%，從而證明數(shù)值模擬方法的正確性，使用周期性模型對其進行數(shù)值模擬是可行的.

2 強化傳熱機理簡析

國內(nèi)外學(xué)者對螺旋槽管強化換熱機理作了大量研究，認為一方面由于螺旋槽的引導(dǎo)作用使近壁處流體發(fā)生旋轉(zhuǎn)，加強了徑向擾動;另一方面，由于一部分流體順壁面軸向流動通過螺旋槽紋凸起處產(chǎn)生軸向渦流，引起邊界層分離從而加快了由壁面至流體主體的熱量傳遞［9］.

場協(xié)同原理［10］指出，對流換熱的強度，不僅取決于流速、溫度和流體物性，還取決于速度場與溫度場的協(xié)同程度，因此筆者主要從這個方面進行考察.自從過增元院士提出該原理以來，許多學(xué)者對其進行了大量研究，但是對于場協(xié)同的評價標(biāo)準(zhǔn)至今還沒有統(tǒng)一.現(xiàn)有的場協(xié)同夾角計算方法可以分為算數(shù)平均角、體積平均角、模平均角、矢量點平均角、整體平均角5種.筆者根據(jù)周俊杰等人［11］的分析，釆用模平均角的計算公式來計算場協(xié)同角，以此作為螺紋螺旋管強化傳熱場協(xié)同性的評價指標(biāo)進行研究.

通過流量一定時(流量Re=10 000)，對3號管和光管進行數(shù)值模擬，驗證上述螺旋槽管傳熱強化機理.通過計算其場協(xié)同角，得到光管的體平均場協(xié)同角β為88.93°，而3號管的體平均場協(xié)同角 β 為87.83°.由場協(xié)同原理［10］可以知道，場協(xié)同角越接近90°，速度和溫度矢量之間的場協(xié)同效果越差，即管內(nèi)流體流動對管內(nèi)的換熱幾乎不起作用，管內(nèi)流體與外界的換熱主要是通過管壁邊界層與外界導(dǎo)熱進行，故光管的換熱效果比3號管差.筆者還計算了其他幾根螺旋槽管在相同流量下的場協(xié)同角，發(fā)現(xiàn)均比光管的場協(xié)同角小，說明螺旋槽管的螺旋槽結(jié)構(gòu)改善了其內(nèi)部流場與溫度場之間的場協(xié)同程度，其換熱效果也較光管更好.

3 數(shù)值模擬結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

3.1 槽深e對流動和換熱的影響

圖3和圖4為3種不同槽深螺旋管的阻力系數(shù)f和Nu數(shù)隨Re變化曲線.從圖3中可以明顯看出螺旋槽管螺距一定時，其Nu隨流量變大而增大.這主要是因為槽深越大，邊界層受到的分離和旋轉(zhuǎn)越大，槽深過大時，起到很強的攪拌作用，加劇了邊界層的擾動，使得邊界層內(nèi)產(chǎn)生了二次流和旋轉(zhuǎn)流，降低了壁面熱阻，所以增強了傳熱效果.從圖3可以看出槽深越深，其Nu數(shù)比光管增加的幅度就越大，3號管Nu數(shù)為66.4～194.2，而光管的Nu數(shù)為33.2～111.7，即3號管Nu數(shù)約為光管的1.7～2.0倍.從圖4可以看出，在流量和節(jié)距一定時，很明顯槽深越深，其阻力系數(shù)越大.這是因為，槽深越大，流體的突縮、突擴作用越明顯，邊界層的脫離程度加大，邊界層內(nèi)的流體出現(xiàn)回流甚至出現(xiàn)漩渦，導(dǎo)致流體的能量出現(xiàn)很大的損失.筆者計算的管子中，最大阻力系數(shù)為0.197 2，約為光管的6.8倍.因此結(jié)合上述兩圖，可以發(fā)現(xiàn)增加強化傳熱效果往往是以增加阻力降和泵功為代價的.

3.2 節(jié)距p對流動和換熱的影響

圖5和圖6為3種不同節(jié)距螺旋槽管的阻力系數(shù)f和Nu數(shù)隨Re變化曲線圖.從圖中可以看出，當(dāng)槽深一定時，節(jié)距越小，換熱效果越好，阻力系數(shù)越大.其中4號管Nu數(shù)約比光管增加了0.7～0.9倍，阻力系數(shù)約為光管的7～9倍.這主要是因為槽深一定時，若采用大節(jié)距，則在相鄰兩個螺旋槽之間的壁面上會出現(xiàn)這樣一段區(qū)域，在這段區(qū)域中前一個螺旋槽產(chǎn)生的對邊界層的擾動已經(jīng)減弱，但后一螺旋槽對邊界層的擾動作用尚未形成，并且這段區(qū)域隨著節(jié)距的增加而增加.所以，在相同槽深、相同流量情況下，節(jié)距越小對流體邊界層的分離作用越明顯，從而使換熱增強，同時阻力變大.

3.3 滾球半徑r對流動和換熱的影響

以往的許多研究者在整理實驗關(guān)聯(lián)式的時候只將槽深e和節(jié)距p作為主要結(jié)構(gòu)參數(shù)加以考慮，而忽略螺旋槽管凸出物形狀對其的影響，鑒于此，筆者對凸出物形狀進行了分析.目前螺旋槽管加工方式有軋制法;拉拔法、滾壓法.筆者所考慮的加工制造方法為滾壓法.就是利用帶滾輪的滾壓工具，以一定的壓力在待加工管材表面作相對滾動，使金屬表面產(chǎn)生塑性變形，加工出圓弧形、錐形凹槽以及其它形狀的外表面.凸出物輪廓線可看成由不同曲率半徑的圓弧相切而成，文中用滾壓工具形成的凸出物圓弧半徑r來表征凸出物的形狀.

通過對比3種不同滾球直徑螺旋槽管，如圖7、8所示，可以發(fā)現(xiàn)在研究范圍內(nèi)，滾球半徑對于換熱的影響比較小，在相同流量下，7號管的阻力系數(shù)與3號管相比最多可以減小約16%，可見滾球半徑r對阻力的影響比較大，因此在符合加工要求的前提下，建議盡量減小滾球半徑的大小，以減小所需的阻力降和泵功.

4 結(jié)論

(1)通過數(shù)值模擬，研究了以空氣為介質(zhì)的7根不同結(jié)構(gòu)參數(shù)螺旋槽管中的流動與傳熱特性，并與光管進行對比，結(jié)果表明螺旋槽管傳熱與流阻性能明顯好于光管.

(2)分析了螺旋槽管強化傳熱的機理，認為其場協(xié)同程度得到改善是其傳熱效果強于光管的主要原因.

(3)在相同流量下，節(jié)距一定時，槽深越深，換熱效果越好，但同時阻力也越大.

(4)在相同流量下，槽深一定時，節(jié)距越小，流體邊界層分離作用越明顯，使得管內(nèi)換熱越強，流動阻力也隨之增大.

(5)對螺旋槽管制造時的滾球半徑進行了初步探討，結(jié)果表明滾球半徑對換熱的影響比較小，對流動阻力的影響卻比較大.

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