內插扇形錐形片流動與換熱特性的數值模擬

黎 敏 王漢青 夏雄博

(湖南工業大學土木學院，湖南 株洲 412007)

內插扇形錐形片流動與換熱特性的數值模擬

黎 敏 王漢青 夏雄博

(湖南工業大學土木學院，湖南 株洲 412007)

對管殼式換熱器管程換熱部分進行了分析，提出采用扇形錐形片的方式來強化換熱，通過數值模擬計算的方法，在恒熱流條件下,選取了不同的結構參數，并對不同的結構參數在5種雷諾數下進行模擬，討論了傾角和片距以及葉片數對努塞爾數、阻力系數、綜合性能的影響，結果表明，內插扇形錐形片能夠顯著強化換熱，努塞爾數和摩擦系數隨葉片數和傾角的增大而增大，隨片距的增大而減小，適當的選取葉片數和傾角以及片距可以提高綜合換熱性能。

強化換熱，扇形錐形片，數值模擬，結構參數

隨著工業化的進程，越來越多的設備需要利用換熱器進行熱量的傳遞而提高換熱器的換熱能力一直是需要解決的問題。管內插入物就是一種能夠提高管內對流換熱效果的強化方法。基于場協同理論中速度場與溫度場的協同，提出了制造管內流體的二次縱向旋流來強化管內外流體的對流換熱。扇形錐形片正是這樣一種能夠誘導管中心流體和壁面邊界層流體縱向混合均勻的內插物，能夠在換熱壁面附近造成一個溫度和速度變化比較顯著的邊界層區域，從而達到強化換熱的效果。影響扇形錐形片對流換熱效果的因素很多：扇形錐形體的張角a，傾角b，扇葉的片數，扇形錐形片之間的間距以及扇形錐形片與管內壁的間隙。為了簡化研究的問題，在此作者僅對扇形錐形片的扇葉數、傾角以及間距做比較研究而其他條件做定值處理。研究工作主要是湍流工況下，5種不同雷諾數下的傳熱特性的分析。現階段對于強化換熱效果的評價主要有三種系數即努塞爾數Nu，摩擦系數f和綜合傳熱系數PEC。對流換熱強化的目的是在泵功率一定的情況下能夠強化換熱，摩擦系數不能過大，否則強化的部分不足以抵消泵功率的增加。

1 物理模型及邊界條件

如圖1所示為管內插入扇形錐形片的強化傳熱管的物理模型。管長為L=500 mm，直徑d=32 mm。張角45°，節距s=48 mm和72 mm兩種，傾角為b=30°，45°，60°。葉片的個數有三種：兩葉片、三葉片、四葉片。模擬工質為20 ℃空氣，空氣的物性參數為1.205 kg/m3，導熱系數2.59×10-2W/(m·K)，運動粘度為15.07×10-6m2/s。作如下假設:1)錐形片內插物和換熱管剛性足夠好，不考慮變形和振動；2)工作介質為不可壓縮、牛頓型流體，流體各向同性，物性不變；3)流體流動為充分發展的穩態層流；4)忽略重力影響，不考慮輻射、壓力做功和動能變化[1]。湍流模型采用K-RNG模型，并選擇增強壁面函數對第一層邊界網格進行計算；進口采用速度進口；出口設置為自由出流邊界條件；在圓管的表面設置恒定的熱流密度，熱源值與Re數成正比[2]。

2 數值模擬結果分析

1)四葉片張角為45°模擬結果。如圖2和圖3所示為張角45°和傾角為30°,45°,60°時各雷諾數下的平均摩擦系數f的值。由圖可以看出隨著傾角的增加摩擦系數f也隨著雷諾數的增加而增加。傾角變小管內流體擾動發生變化，從貼近壁面的擾動逐漸變化成核心流擾動。傾角越小流體對壁面的邊界層的擾動越小，流體在流過邊界層時所受的剪切力也越小，流動阻力也減小。反之傾角越大，近壁面的速度梯度較大，產生的剪切力越大，流動阻力越大。傾角越大時流體對壁面的擾動越強烈，邊界層的厚度減小，溫度梯度變大，對流傳熱量顯著增大。從圖中可以看出傾角60°時摩擦系數是傾角30°的2.83倍而傾角60°時的努塞爾數是傾角30°時的1.3倍。

2)不同葉片數扇形錐形片的傳熱特性分析。如圖4和圖5所示為相同片距和張角以及傾角，不同葉片數的扇形錐形體傳熱特性分析，圖中共有三種葉片數目即兩葉片、三葉片、四葉片。四葉片時摩擦阻力系數最大而兩葉片和三葉片的摩擦系數相差不大。

葉片數越多，摩擦系數越大，流體擾流過程中受到的阻擋越多，擾流越多形成的流體渦越多邊界層越薄，溫度梯度越大，努塞爾數也越大。四葉片時努塞爾數是光管的3倍而摩擦系數是光管的12倍。

3)相同葉片數不同片距時的傳熱特性分析。如圖6所示為兩葉片和三葉片不同間隔時的摩擦系數曲線。由圖6可知三葉片間隔48 mm時摩擦系數是光管的摩擦系數的8倍。三葉片間隔48 mm 的摩擦系數是三葉片間隔72 mm的1.3倍。三葉片間隔48 mm 的摩擦系數是兩葉片間隔48 mm的1.6倍。兩葉片間隔48 mm 的摩擦系數是兩葉片間隔72 mm的1.25倍。

如圖7所示為兩葉片和三葉片不同片距時的努塞爾數曲線。從圖中可以看出努塞爾數增加的趨勢沒有摩擦系數增加的趨勢明顯，三葉片間隔48 mm時努塞爾數系數最大。分析其原因在于流體在湍流狀態時當其達到了充分發展狀態時其溫度和壓力變化很小，流體處于穩定狀態。

4)相同葉片數不同間隔傳熱特性綜合分析。圖8是以兩葉片間隔72 mm為基礎得出的PEC的綜合傳熱系數比值，從圖中可以看出兩葉片間隔48 mm的PEC比值和三葉片間隔72 mm的PEC比值都為1以上，說明其對流傳熱效果要優于兩葉片間隔48 mm的傳熱效果。三葉片間隔48 mm的PEC比值為1以下，說明其對流傳熱效果要低于兩葉片間隔72 mm時的情況。

3 結語

通過數值模擬研究了管內插扇形錐形物的傳熱和流動特性，分析了扇形錐形體的傾角和間隔以及葉片數3個結構參數變化對流動和換熱的影響，得出了如下結論：1)管內插扇形錐形片能夠顯著強化換熱，同時增加了流動阻力。換熱系數和阻力系數都隨葉片數和傾角的增大而增大，隨間距的增大而減小。2)內插扇形錐形片使流體在管內產生縱向流動使速度場與溫度場的協同性更好。邊界層受到分流流體的擾動而變薄，此時溫度梯度變大，相同傳熱面積下能傳遞更多的熱量，強化了換熱。3)綜合性能系數受傾角、片距和葉片數影響，增大傾角和葉片數減小片距有利于提高綜合性能，適當選取傾角和葉片數以及片距，扇形錐形片可以在很大程度上改善綜合換熱性能。

[1] 游永華.管殼式換熱器中單相流體強化傳熱的數值模擬和實驗研究[D].武漢：華中科技大學,2013.

[2] 鄧俊杰.管內對流換熱強化的數值模擬[D].武漢：華中科技大學,2011.

[3] 睢 輝,屈曉航,董 勇.管內插入螺旋翅片流動與傳熱特性的數值模擬[J].化工生產與技術,2013(5):8-9，27-31.

[4] 楊世銘.傳熱學[M].北京:高等教育出版社,1987.

The numerical simulation of interpolation fan-shaped conical plate flow and heat transfer performance

Li Min Wang Hanqing Xia Xiongbo

(CivilEngineeringSchool,HunanUniversityofTechnology,Zhuzhou412007,China)

This paper analyzed the tube pass heat transfer part of tube shell type heat exchange, proposed using the fan-shaped conical plate for enhancement of heat transfer, through the numerical simulation calculation method, under the constant heat flux condition, selected different structure parameters, and simulated different structural parameters under five kinds of Reynolds numbers, discussed the influence of inclination angle, segment pitch and blade number to Nusselt number, drag coefficient, comprehensive properties, the results showed that, the interpolation fan-shaped conical plate could significantly enhanced the heat transfer enhancement, the Nusselt number and friction coefficient increased with the blade number and inclination angle, with the increasing of segment pitch, properly selected the blades number and inclination angle and segment pitch could improve the comprehensive heat transfer performance.

heat transfer enhancement, fan-shaped conical plate, numerical simulation, structure parameter

2015-01-13

黎 敏(1987- )，女，在讀碩士； 王漢青(1963- )，男，博士生導師，教授； 夏雄博(1987- )，男，在讀碩士

1009-6825(2015)09-0110-02

TU831

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