直管振動(dòng)流動(dòng)傳熱特性數(shù)值模擬

孫 征，王宏光，韓鐵鷹

(1.上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200433；2.上海市動(dòng)力工程多相流動(dòng)與傳熱重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200093；3.中電投珠海橫琴熱電有限公司，廣東 珠海 519031)

換熱器廣泛應(yīng)用于汽車?yán)鋮s系統(tǒng)中，是水冷式冷卻系統(tǒng)的重要部件[1]。由于路面顛簸等原因，汽車換熱器工作在振動(dòng)狀態(tài)下，通過對(duì)振動(dòng)狀態(tài)下傳熱問題的研究，分析振動(dòng)對(duì)傳熱性能的影響，對(duì)了解換熱器的性能，改進(jìn)換熱器設(shè)計(jì)，降低汽車能耗有積極的意義。

文獻(xiàn)[2,3]對(duì)管內(nèi)流體流動(dòng)引起的振動(dòng)特性進(jìn)行研究，指出管內(nèi)流體的流動(dòng)會(huì)引起管道的振動(dòng)，流體的速度較小時(shí)，產(chǎn)生的動(dòng)力對(duì)振動(dòng)影響會(huì)很小，但是隨著流體流速的增大這種影響會(huì)隨之增大，當(dāng)流體流速增大到某一臨界值時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致管道動(dòng)力的失穩(wěn)。文獻(xiàn)[4]研究了機(jī)械振動(dòng)對(duì)傳熱的影響，結(jié)果表明振幅較小振動(dòng)頻率較大時(shí)，振動(dòng)使傳熱強(qiáng)度降低，傳熱效果最高下降20%。文獻(xiàn)[5]分析了振動(dòng)的原因及流體誘導(dǎo)振動(dòng)的原理，在對(duì)壁面振動(dòng)的模擬中采用 UDF定義圓柱面振動(dòng)方程，指出振動(dòng)可以加強(qiáng)傳熱。文獻(xiàn)[6]研究了振動(dòng)對(duì)管帶式散熱器空氣流動(dòng)和溫度場(chǎng)的影響，指出隨著振動(dòng)頻率和振幅的增大，換熱性能得到提升。文獻(xiàn)[7]等采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)研究了振動(dòng)對(duì)換熱圓管的傳熱特性的影響，并進(jìn)行了場(chǎng)協(xié)同分析，指出振動(dòng)能強(qiáng)化傳熱，并且其傳熱效果隨振動(dòng)頻率和振幅的增加而增加，在同一振動(dòng)參數(shù)下，雷諾數(shù)越小，強(qiáng)化效果越好。但是有關(guān)管道在非慣性坐標(biāo)系下的正弦往復(fù)運(yùn)動(dòng)，對(duì)管內(nèi)流體流動(dòng)及傳熱特性影響的研究還不多見。

本文針對(duì)文獻(xiàn)[7]的研究模型，采用UDF在簡(jiǎn)諧振動(dòng)的非慣性坐標(biāo)系下，模擬管道的振動(dòng)，避免采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，重點(diǎn)研究管子長(zhǎng)度變化時(shí)振動(dòng)對(duì)管內(nèi)流體流動(dòng)及傳熱特性的影響。

1 計(jì)算模型

原模型流動(dòng)區(qū)域長(zhǎng)600 mm，管徑20 mm(見圖1)。現(xiàn)模型計(jì)算區(qū)域長(zhǎng)2 000 mm，管徑20 mm(見圖2)。左側(cè)壁面為速度入口邊界條件，速度為u，入口處流體溫度為293 K；右側(cè)壁面是壓力出口邊界條件，p=0；上下壁面為運(yùn)動(dòng)壁面，與管內(nèi)流體進(jìn)行對(duì)流換熱，采用恒溫壁面，溫度為333 K，振動(dòng)速度規(guī)律為[8]

v=2πfAsin(2πft)

(1)

式中f—頻率；A—振幅；t—時(shí)間。

圖1 原模型計(jì)算區(qū)域

圖2 現(xiàn)模型計(jì)算區(qū)域

根據(jù)換熱器的流速特點(diǎn)，u值分別取為0.02， 0.04，0.06，0.08，0.10 m/s；汽車在行駛過程中換熱器做隨機(jī)振動(dòng)，其振動(dòng)包含多種頻率成分。頻率f選取為2，4，6，8，10 Hz；振幅A的選取主要是考慮了路面顛簸程度及換熱器安裝時(shí)與車體之間的空間限制，最終選取值為1，2，3，4，5 mm。

近壁面計(jì)算網(wǎng)格如圖3所示，全部采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，結(jié)合Y+的查詢及探究[9]，通過來流速度確定第一層網(wǎng)格高度。計(jì)算求解器選定為非穩(wěn)態(tài)隱式法，壓力速度耦合采用PISO算法，選擇二階迎風(fēng)格式，網(wǎng)格數(shù)量10萬個(gè)，時(shí)間步長(zhǎng)取0.01 s。

直管振動(dòng)位移和速度邊界條件通過UDF來控制，采用非慣性坐標(biāo)系，圓管整體在非慣性坐標(biāo)系內(nèi)做與管道軸線方向垂直的簡(jiǎn)諧振動(dòng)，網(wǎng)格隨著圓管整體運(yùn)動(dòng)且無形變，振動(dòng)方向與管道軸線方向垂直[10]。

圖3 近壁面計(jì)算網(wǎng)格

振動(dòng)直管計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 振動(dòng)直管計(jì)算參數(shù)

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

振動(dòng)圓管內(nèi)努塞爾數(shù)為

(2)

式中λ——流體介質(zhì)熱導(dǎo)率；qw——平均熱流密度；L——直管當(dāng)量直徑；Tw——壁面平均溫度；Tf——流體平均溫度。

圖4為不同雷諾數(shù)時(shí)不同振幅下Nut/Nu隨振動(dòng)頻率的變化。圖4中，Nus為換熱管靜止時(shí)的壁面平均努塞爾數(shù)，Nut為換熱管振動(dòng)時(shí)的周期壁面平均努賽爾數(shù)。采用與吳艷陽相同計(jì)算方法及參數(shù)，得出相同的結(jié)論。由于振動(dòng)外力的作用，邊界層中慣性力影響大于粘性力[11]，振動(dòng)能強(qiáng)化傳熱，并且傳熱效果隨振動(dòng)頻率和振幅的增加而增加，在半周期內(nèi)，時(shí)相位為90°時(shí)管內(nèi)傳熱性能最好，在同一振動(dòng)參數(shù)下，雷諾數(shù)越小，強(qiáng)化效果越好。

圖4 Nut/Nus與振幅A的關(guān)系

圖5為不同雷諾數(shù)時(shí)不同振幅下Nut/Nus隨振動(dòng)頻率的變化關(guān)系。從圖5中可以看出，直管在振動(dòng)條件下，有強(qiáng)化換熱效果，傳熱強(qiáng)度最高可以提高600%。Re=1 988時(shí)，比較發(fā)現(xiàn)，在相同頻率和振幅的情況下，雷諾數(shù)越大，強(qiáng)化換熱效果越好；在相同雷諾數(shù)下，雷諾數(shù)越小，振幅和振動(dòng)頻率對(duì)換熱強(qiáng)度的影響越明顯。Re=398時(shí)，以頻率為2 Hz時(shí)的換熱強(qiáng)度為基礎(chǔ)，振幅為1 mm和2 mm時(shí)，換熱強(qiáng)度隨著頻率增大而減弱，最多減弱18.3%，振幅在3 mm及以上時(shí)，換熱強(qiáng)度隨著頻率增大而提高，最高可以提高76.6%；Re>398時(shí)，在以振動(dòng)頻率為2 Hz時(shí)的換熱強(qiáng)度基礎(chǔ)上，換熱強(qiáng)度隨著頻率的增大而減弱。Re=1 988時(shí)，換熱強(qiáng)度波動(dòng)范圍在5%以內(nèi)。

圖5 Nut/Nus與振幅A的關(guān)系

2.2 強(qiáng)化傳熱原因分析

圖2模型分為三段，第一段和第三段長(zhǎng)度取600 mm，第二段長(zhǎng)度取800 mm。

圖6為第一段不同雷諾數(shù)時(shí)不同振幅下隨振動(dòng)頻率的變化。由于振動(dòng)外力的作用，邊界層中慣性力遠(yuǎn)大于粘性力，流體邊界層遭到破壞，流體流動(dòng)狀態(tài)明顯改變，換熱強(qiáng)度得到提高。Re=398和Re=795時(shí)，換熱強(qiáng)度隨著振動(dòng)頻率的增大而提高，最高400%；Re>795時(shí)，換熱強(qiáng)度受振動(dòng)頻率和振幅的影響減弱。

圖6 Nut/Nus與振幅A的關(guān)系

圖7為第二段不同雷諾數(shù)時(shí)不同振幅下隨振動(dòng)頻率的變化。由于振動(dòng)外力的作用，振動(dòng)邊界層中慣性力相對(duì)于粘性力的作用效果增強(qiáng)，流體邊界層遭到破壞，換熱強(qiáng)度得到提高。但因該段流體溫度升高，流體與壁面溫差減小，并且靠近邊界層流體流速下降，整體換熱強(qiáng)度有所下降，換熱強(qiáng)度隨著振動(dòng)頻率的增大而降低，Re越小，降低的越明顯。Re=1 988時(shí)，振動(dòng)產(chǎn)生的慣性力相對(duì)粘性力的作用效果趨于穩(wěn)定，換熱強(qiáng)度波動(dòng)幅度在10%以內(nèi)。

圖7 Nut/Nus與振幅A的關(guān)系

圖8為第三段不同雷諾數(shù)時(shí)不同振幅下隨振動(dòng)頻率的變化。Re=398和Re=795時(shí)，換熱強(qiáng)度隨著振動(dòng)頻率的增大而提高，Re越小，提高越明顯。Re=1 988時(shí)，振動(dòng)邊界層[13]流體受到的慣性力作用效果減弱，邊界層破壞程度不再變化，換熱強(qiáng)度也不再隨著振動(dòng)頻率和振幅的變化而改變。

圖8 Nut/Nus與振幅A的關(guān)系

圖9為三段直管在Re=398，振幅為5 mm，振動(dòng)頻率為10 Hz下時(shí)相位270°的速度矢量圖，三段直管內(nèi)流體流速都因?yàn)檎駝?dòng)而產(chǎn)生y方向的分速度。第一段和第三段管道靠近壁面處的流體依然有沿管道軸向的分速度，而第二段管道靠近上壁面處的流體流速有沿管道軸向與來流速度方向相反的分速度，造成該段換熱強(qiáng)度減弱。

圖9 Re=398 A=5 mm f=10 Hz速度矢量圖

3 結(jié)語

(1) 振動(dòng)可以強(qiáng)化振動(dòng)圓管的傳熱，工況下傳熱強(qiáng)度最大可提高600%。

(2) 在相同頻率和振幅的情況下，雷諾數(shù)越大，強(qiáng)化換熱效果越好；在相同的振動(dòng)條件下，雷諾數(shù)越小，強(qiáng)化效果改變?cè)矫黠@。

(3) 隨著換熱管道的加長(zhǎng)，換熱效果隨著振動(dòng)頻率和振幅的增大，會(huì)在低頻率和低振幅條件下的換熱強(qiáng)度的基礎(chǔ)上下降，最多下降18.3%。

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