扭曲管管程數值傳熱模擬

劉思宇

摘 ? 要：通過FLUENT軟件對扭曲管進行數值模擬分析，得出其內部流場因流通截面積不斷變化沿軸向呈周期性交錯變化，且不同區域流速大小與方向各不相同。壓降與溫度均以較強規律呈周期性逐漸減小趨勢，內部流通截面積交替變化使得其壓力梯度變化顯著，管內流動介質產生二次旋流促使湍流程度增強。隨著流速的遞增，壓降與膜傳熱系數呈遞增趨勢，且流速越大彼此之間的差距就越明顯。為換熱設備的進一步優化提供新思路和新技術。

關鍵詞：扭曲管 ?傳熱模擬 ?數值分析

中圖分類號：TK124 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）02（c）-0115-03

Abstract： The numerical simulation analysis of twisted tube is carried out by FLUENT software， the results show that the internal flow field changes periodically and alternately along the axial direction due to the continuous change of the flow cross-sectional area， and flow velocity in different areas are different with the size and direction. Both pressure drop and temperature decrease periodically and gradually with a strong rule， the alternating change of internal flow cross-sectional area makes the pressure gradient change significantly， the secondary swirling flow generated by the flowing medium in the tube promotes the enhancement of turbulence level. As the flow rate increases， pressure drop and film heat transfer coefficient are increasing， and the larger the flow rate， the more obvious the difference between them. It provides new ideas and new technologies for further optimization of heat exchange equipment.

Key Words： Twisted tube; Heat transfer simulation; Numerical analysis

換熱設備是能源合理高效轉換的一種媒介[1]，不僅被作為應用廣泛、節能低耗的主要冷換設備之一，而且被普遍地應用于核電、石油、動力、冶金等帶動國民經濟不斷進步的各行各業中。換熱器的傳熱過程強化通常是在單位時間內對熱交換有影響的要素進行改進以實現單位傳熱面積上換熱量的最大化進而完成能源的高效利用。如果傳熱效率提升10%，那么設備的能量利用率將提高2%[2]。換熱器的強化傳熱主要是從管程的管型變化與殼程的支撐結構這兩個方面來進行改進的。

1 ?FLUENT在換熱器模擬中的應用

FLUENT作為CFD中的一種，是用來模擬與分析流體流動、傳熱和沖蝕等問題的軟件[3]，對換熱器進行模擬時主要涉及的部分有物理模型、有限元模型、邊界條件、湍流模型、控制方程和相關參數及屬性等。利用GAMBIT軟件來完成物理模型、網格劃分及邊界條件的定義。再導入FLUENT進行流體的性能分析，由于處于湍流中的流體具有強烈的擾流程度，使換熱變得更加的充分，因此對換熱器進行模擬時采用標準k-ε湍流模型[4]。

2 ?扭曲管結構簡介

扭曲管是光管通過打扁和旋轉形成的具有橢圓截面和螺旋形態的換熱管，不僅可以促使換熱壁面處的介質擾流程度增強而且還擴大了熱交換面積。其管束結構是依靠自身相互支撐及沿殼體縱向螺旋線點接觸來形成的，管內介質的流動狀態呈螺旋狀且產生二次旋流，使管內湍流程度加強且提高換熱效率。而殼程是由多股螺旋流繞管外壁沿殼體軸向做周期性的流動，增強了擾流程度，使殼程流阻減小、綜合性能提高。

3 ?模型預處理

模型的預處理包括網格劃分、邊界條件設定及確定求解方法這三部分。首先通過三維建模軟件PROE生成實體模型，再將實體模型另存為IGES文件后導入Gambit中進行網格的劃分和邊界條件的設定。網格質量的優劣是模擬計算的關鍵部分，故本次均采用非結構化網格中的Tet/Hybrid網格單元進行劃分，網格尺寸取1mm，扭曲管局部劃分網格如圖1所示。

通過實際工況對模擬邊界條件進行設定，入口與出口設置分別為速度入口與壓力出口，壁面設置為不可滲透的無滑移邊界。入口溫度為58℃，入口速度以流速0.1m/s為基準逐步遞增，直至1.0m/s為止。管內介質為水，壁面溫度為恒壁溫18℃。本文模擬計算均選用SIMPLE算法進行離散計算，其相應的參數選擇為默認值。湍流模型選擇為標準k-ε模型、湍流強度定義為4.7、水力半徑定義為0.2m。計算過程中所涉及的方程有動量方程、湍流方程、質量方程和能量方程，其殘差精度不同[5]。計算結果是否收斂將通過設定的殘差曲線來進行判定，當曲線達到平穩且無較大波動時，計算可視為收斂[6]。

4 ?模型結果分析

通過FLUENT軟件的后處理功能，可將計算結果經過可視化的云圖、矢量圖等顯示出內部流體的流動狀態及變化規律。

圖2為扭曲管軸向速度矢量圖，從圖中可以看出，扭曲管壁面處的流速呈周期性交替變化，且不同區域的流速大小與方向各不相同。而扭曲管內部流速因流通截面積的不斷變化，凸起處因流動空間較大致使流速降低，凹陷處因流通截面積變小致使流速明顯增加并不斷變化。以壁面為節點，可以使扭曲管內外部流質的湍流程度增強，提高換熱效率。圖3為扭曲管軸向壓力云圖，從圖中可看出流質的流動方向是從左向右的，且壓力以較強的變化規律呈逐漸減小趨勢，因其自身的螺旋狀結構可以使流質的流動阻力減小，由于扭曲管內部的流通截面積呈大小交替變化，故使得其壓力梯度變化顯著。

圖4為扭曲管軸向溫度云圖，從圖中可看出流質的流動方向是從左向右的，溫度沿軸線方向是逐漸降低的且分布規律性較強，管內介質在流動時產生二次旋流，使管內湍流程度加強，實現高效換熱。

5 ?數據處理

對模擬數據進行處理，得到扭曲管在不同流速下的壓力降與膜傳熱系數性能曲線圖。圖5為扭曲管壓降變化曲線圖，從圖中可以看出，隨著流速的遞增，壓降雖有一定的波動，但整體呈現遞增狀態。圖6為扭曲管膜傳熱系數變化曲線圖，從圖中可以得知，膜傳熱系數均隨著流速的增加而逐漸增大，呈現出直線遞增趨勢，且流速越大彼此之間的差距就越明顯，但膜傳熱系數的增大相應的會帶來較大的壓力損失，而壓降的變化則是受到了流通面積的制約。

6 ?結語

通過FLUENT軟件對扭曲管管程進行數值模擬分析，得出扭曲管內部流質從進口到出口的壓力以較強規律呈逐漸減小趨勢變化，自身螺旋狀結構使流質的流動阻力減小，內部流通截面積交替變化使得其壓力梯度變化顯著。由進口至出口的溫度沿軸線方向是逐漸降低的且分布規律性較強，管內流動介質產生二次旋流，使管內湍流程度加強。流速呈周期性交替變化且不同區域流速大小與方向各不相同，凸起處因流動空間較大致使流速降低，凹陷處因流通截面積變小致使流速明顯增加并不斷變化。以壁面為節點，可以使扭曲管內外部流質的湍流程度增強，實現高效換熱。隨著流速的遞增，壓降與膜傳熱系數呈遞增趨勢，且流速越大彼此之間的差距就越明顯。本次模擬分析可以為換熱設備管程結構進一步優化提供新思路和新技術。

參考文獻

[1] 王瑤.石油化工行業中換熱器的種類及用途原理[J].科技與企業，2014（16）：430.

[2] 陳文超，張鎖龍.人字形板式換熱器雙流道模型的溫度場數值模擬[J].化工機械，2010，37（4）：465-468.

[3] 劉榮，陶樂仁.FLUENT數值模擬在制冷與空調領域中的應用[J].低溫與超導，2010，38（10）：77-79.

[4] 王欣.水平軸風力機氣動性能與結構動力特性分析[D].蘭州理工大學，2012.

[5] Yokoi N，Hamba F.An application of the turbulent magnetohydrodynamic residual-energy equation model to the solar wind[J] .Physics of Plasmas，2007，14（11）：355-359.

[6] 朱紅鈞，林元華，謝龍漢.FLUENT12.0流體分析及工程仿真[M].北京：清華大學出版社，2011.