管型結構對管內強化傳熱效果影響的研究進展

李 論

（華北電力大學能源動力與機械工程學院，北京 102206）

0 引言

進入工業化社會以來，能源問題在社會生產活動中日漸突出，世界各國的科研人員對提高能源利用效率的研究也愈加深入。 在制冷空調、石油化工、城市供熱等行業中廣泛應用到的對流換熱技術，是提高能源利用效率的一個方向。 自20 世紀60年代，國內外眾多熱科學研究者對強化傳熱技術的研究不斷深入，開發出許多新型換熱器。 截至目前，對強化傳熱所采取的方法多集中在換熱管結構的設計，開發出許多強化傳熱結構如內螺紋管、橫紋管、翅片管、波紋管、螺旋槽管、異型管等。 并且已經廣泛應用于工業生產和社會生活之中。 本文重點對近五年研究成果進行總結，意在緊跟國內外關于管內結構強化傳熱的研究進展。

1 管型結構影響管內強化傳熱研究進展

1.1 內螺紋管

內螺紋管指在管的內壁上加工出一條或多條螺旋上升的膛線。 由于管內壁上螺紋的存在，當流體流過時，靠近壁面的流體隨螺紋螺旋流動，從而擾動了邊界層，使強化傳熱得到增強。 內螺紋管影響傳熱的結構參數有螺紋截面形狀、 螺紋頭數、 螺紋寬度、高度、螺紋升角，世界各國科研人員對不同結構參數內螺紋管的研究一直在進行。 Liu Xiaoyue 等[1]以數值模擬的方法，研究了矩形截面螺紋、三角形截面螺紋、圓頂截面螺紋三種不同螺紋截面形狀對管內強化傳熱的性能改善效果。 研究發現，當雷諾數較大時，矩形截面螺紋和圓頂截面螺紋的摩擦系數和努賽爾數相同，而在低雷諾數條件下，圓頂截面螺紋的摩擦系數遠大于矩形截面螺紋。 Zhanwei Liu 等[2]用數值方法研究了矩形翅片、三角形、和圓頂形三種截面形狀、螺紋升角、螺紋頭數等因素對流動和傳熱特性的影響，結果表明螺旋角在所有研究變量之中對傳熱效果的提升最大，而截面形狀對傳熱效果的影響最小，三種截面形狀下努賽爾數和摩擦系數差值在10%以下。 Wang[3]等以乙二醇水溶液為流體， 對內徑22.48 mm 的內螺紋管進行實驗研究，相比普通光管其綜合傳熱效率提升約1.55～1.8。 Raj[4]等以乙二醇、水兩種流體，實驗研究螺紋升角、螺紋高度在層流和湍流狀態下對傳熱性能的影響，實驗結果表明在層流狀態時，使用乙二醇作為流體管內表面換熱增強34%；湍流狀態下水作為流體管內表面換熱增強18%。

1.2 內翅片管

20 世紀70年代初，美國首先提出了內翅片管。這種換熱管采用了特殊工藝設備進行加工，擴大了換熱管的管內面積， 相比內螺紋管中以螺紋形式強化傳熱，翅片更薄、數量小、翅片頂端更靠近管中心甚至連接于管中心軸線上，并且無螺旋升角。 翅片管強化原理與內螺紋管增加粗糙度以擾動邊界層為主不同，內翅片管更是以增大換熱面積為主。 Khanmohammadi[5]等采用三維數值模擬的方法，探討了不同星狀翅片(普通翅片、帶齒直翅片、彎曲翅片)對努賽爾數和摩擦系數的影響，結果表明，三種管型結構較光滑管均可明顯提高努賽爾數和摩擦系數。 并且彎曲翅片在三種形狀中效果最佳，努賽爾數最大提升約52%。 張倬[6]使用數值模擬方法研究了層流狀態流體在內直肋管的傳熱性能，結果指出內直肋強化管對平均努賽爾數的提升均比較明顯，而對摩擦阻力系數只有略微提升。

1.3 橫紋管

橫紋管是在管壁上滾壓出與管子軸線成90°的橫向槽紋，在管壁內形成等距的內陷圓環。 管內流體流經圓環時在管壁上形成軸向旋渦，增強流體邊界層的擾動，因而使傳熱得到強化。 明慧[7]和陳邦強[8]用數值模擬方法對管內流過水的橫紋管進行傳熱研究，發現橫紋管在提升傳熱效果的同時，對摩擦系數的增大也較大。 對內凸局部云圖分析發現，流體在流經內凸結構后產生回流，這與前兩種結構管型不同。

1.4 波紋管與縮放管

波紋管是用管內擴張的方法，將管子加工成內外均呈連續波紋曲線的波紋管，使管子的縱向截面成波形，由相切的大小圓弧構成。 流體流過時由于管內流體的流動截面不斷變化，使流體形成周期性的擾動因而強化傳熱效果。 Andrade 等[9]以實驗方法對內徑為5.75 mm 的一個光滑管和兩個波紋管進行了對比研究。 結果表明，在研究雷諾數范圍內波紋管的摩擦系數比光滑管的摩擦系數有更平穩地過渡。 另外，波紋管在過渡流態下對于增強換熱更有效，最大的傳熱增強發生在雷諾數為2000 時。 張亮[10]、郭佳馨[11]用數值模擬對波紋管的幾何尺寸影響傳熱特性進行研究發現，波幅和波長對波紋管的傳熱均有影響，波長越短，波幅越大強化傳熱效果越好，但同時會以增強管內摩擦阻力為代價。 在雷諾數大于2000 左右時，增大波長能改善綜合換熱效果。 江嘉銘[12]也以數值模擬研究了波紋管的波紋周期和波峰高影響管內流動與換熱的規律，其指出在實際工程應用中應根據工程實際合理采用不同波紋周期和波峰高度的配置，能在提高傳熱性能的同時而最大程度上減小流動阻力的增大。

縮放管結構與波紋管相似，是指以漸縮漸擴結構交替布置的管型， 縮放管強化傳熱原理與波紋管相同，流體形成周期性的擾動，達到強化換熱的效果。 按照其收縮開始端是先縮小或是先擴張分為先擴后縮管和先縮后擴管。 王旭[13]用數值模擬研究了等截距縮放管的結構參數對傳熱特性的影響，結構參數分別為縮放角、喉徑比、節距。 發現縮放角與傳熱性能成正比，喉徑比與傳熱性能成反比，節距在較小時能提高傳熱性能而當節距較大時傳熱性能基本不變，即節距對提高傳熱效果有一定的限度。

1.5 微肋管

近年來，隨著前述管型結構的研究深入并取得應用，不能滿足現有需求，科研人員開發并研究一些新型管型結構，如三維內肋管[14-15]、麻面管[16-17]、半膠囊形內肋管[18]、錐形內肋管[19-20]等，這些結構的強化管雖然結構不同，但其擁有共同特征：（1）管內布置局部突起以引起流體在壁面處擾動；（2） 強化傳熱原理均以擾動邊界層為主。

三維內肋管是在光管的內表面加工出針狀或鱗狀的肋片來實現強化換熱。 劉爽[15]以空氣為工質對三維內肋管的換熱和阻力特性進行實驗研究，實驗結果表明三維內肋管對強化傳熱效果顯著，換熱系數較光管可達3.15 倍。 另外，其對肋高、肋間距、肋寬三種結構參數對換熱的影響程度進行分析，指出強化傳熱影響效果由高至低為肋高、肋間距、肋寬。

麻面管是近期開發出的一種高效換熱管，管的表面布置向內凹陷類似高爾夫球凹坑的突起。 閆順林[17]用數值模擬方法，研究了麻面管突起的凸深、凸距對流體流動和換熱特性的影響。 研究得出當凸深越大強化傳熱效果越明顯，在凸深小于0.5 mm 時，影響效果明顯，大于0.5 mm 后，雖有增強效果但不明顯。 凸距對強化傳熱效果影響較小，但凸距越小流動產生的阻力更大。

半膠囊形內肋管結構與麻布管類似，在換熱管表面布置半橢球形內突起。 邵敏[18]對不連續雙斜向內肋管進行了數值模擬和實驗的對比研究。 研究表明由于此結構內肋存在，管內流體在壁面處形成了強烈的渦流，增強了擾動。 另經實驗測定，使用不連續雙斜向內肋管的換熱器較光管換熱器，換熱效率提高了5.23%。

錐形內肋管在換熱管內表面布置由兩個同底不等高相靠三棱錐組成的突起， 長的布置在迎流面，短的在其后，形成向管內凸出的內肋結構。曹海亮[19]以數值模擬方法研究了錐形內肋結構參數對傳熱和流動阻力的影響，結果表明在雷諾數小于15000 時，對綜合傳熱性能增大程度理想，提升效果為15%～25%，隨著雷諾數更大時，綜合性能平穩降低并趨近1，即在雷諾數大時，強化傳熱效果不明顯。

2 結語

隨著工業進程的發展，對高效強化換熱管的研究以及對新型換熱管的開發探索進入了更高的要求和探索。20 世紀開發研究的如螺紋管、橫紋管、翅片管的研究已經深入， 在生產中已經大規模運用并形成標準，未來探索高效強化傳熱技術的方向可能在微型內肋。 微型肋結構的肋具有擾流強度大、阻力小、省材等優點，但礙于其具有高度個性化的特點對加工生產提出了難度，在實際應用上可能還不能快速普及。 隨著計算流體力學的發展，對開發新型高效強化換熱管提供了幫助， 數值模擬能都滿足個性化新型微肋的探索，克服實驗周期長的短板。 以數值模擬為主，結合實驗驗證將會是強化傳熱的發展途徑。