內(nèi)置弧形槽扭旋元件圓管中湍流傳熱特性研究

張春梅，劉彬，李宇軒，李權(quán)，楊鵬達(dá)，李帥

（沈陽(yáng)化工大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110142）

能源的轉(zhuǎn)換和利用是當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的關(guān)鍵性問(wèn)題，而熱能在各行各業(yè)中都占有舉足輕重的地位，合理高效的換熱設(shè)備可以極大促進(jìn)熱能的有效利用[1]，換熱管作為換熱設(shè)備中的重要元件，其傳熱性能直接決定換熱設(shè)備的高效與否，因此研究出具有高傳熱效率的換熱管成為該領(lǐng)域內(nèi)的熱點(diǎn)。

目前強(qiáng)化傳熱技術(shù)主要分為無(wú)源技術(shù)和有源技術(shù)兩種[2-3],本文主要采用管插件無(wú)源技術(shù)進(jìn)行強(qiáng)化換熱，其作用機(jī)理為管插件的合理結(jié)構(gòu)使流體在流經(jīng)元件時(shí)產(chǎn)生徑向流動(dòng)的同時(shí)引起二次流[4-7]，此種流動(dòng)現(xiàn)象會(huì)使管道中心流體與壁面附近的高溫流體進(jìn)行充分混合，同時(shí)壁面處的邊界層也遭到破壞，有利于熱量的傳遞與交換。

由于管插件技術(shù)經(jīng)濟(jì)高效、易于維修等優(yōu)點(diǎn)，許多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量研究。Kumar 等[8]在雷諾數(shù)為1～25 000 的范圍內(nèi)研究了SK 型靜態(tài)混合器的長(zhǎng)寬比及單元數(shù)量對(duì)流體流動(dòng)和混合的影響，同時(shí)對(duì)比了元件在不同流態(tài)下的混合程度，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出了每混合器單位的壓降與所用SK 元件的數(shù)量無(wú)關(guān)的結(jié)論。P.Murugesan 等[9]研究了不同扭曲比、深度和寬度比的“V”型雙絞扭帶對(duì)圓管內(nèi)的傳熱和摩擦系數(shù)的影響，研究發(fā)現(xiàn)管內(nèi)平均努塞爾數(shù)和平均摩擦系數(shù)隨扭曲比、寬度比和深度比的減小而增加。詹三江等[10]在光滑扭帶的基礎(chǔ)之上研究并分析了開三角形邊槽的扭帶新結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)證明了這種新型結(jié)構(gòu)可以增加換熱效果和沿程阻力，并與光滑紐帶進(jìn)行對(duì)比，定量分析了阻力系數(shù)λ與Nu增加的幅度，并得到了相應(yīng)的努塞爾數(shù)Nu及阻力系數(shù)λ的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。孫達(dá)等[11]對(duì)高黏度下中國(guó)結(jié)式靜態(tài)混合器的流動(dòng)特性進(jìn)行了模擬，發(fā)現(xiàn)Re較低時(shí)，中國(guó)結(jié)式靜態(tài)混合器可以改變流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，促進(jìn)徑向混合并減薄邊界層，強(qiáng)化高粘流體的混合及傳熱性能。

本文設(shè)計(jì)出一種由帶有弧形凹槽的波紋板扭旋而成的新型管內(nèi)擾流元件——弧形槽扭旋元件，探討了弧形槽扭旋元件強(qiáng)化傳熱的機(jī)理，研究了弧形槽數(shù)量的變化對(duì)管內(nèi)傳熱性能的影響。研究結(jié)果可為弧形槽扭旋元件在工程中的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。

1 物理模型及數(shù)值模擬

1.1 物理模型

本文研究對(duì)象為內(nèi)含4 個(gè)扭旋元件的換熱管道，相鄰元件交錯(cuò)垂直布置，元件直徑D，厚度δ，長(zhǎng)度H，扭轉(zhuǎn)角為180°，弧形槽的直徑d，弧度R=π，弧形槽數(shù)量n分別為1、2、3，其中n=2 元件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 n=2 弧形槽扭旋元件結(jié)構(gòu)示意圖

圖2顯示了扭旋元件在管道中的布置情況及三維坐標(biāo)分布，管長(zhǎng)為L(zhǎng)，管徑D，管道入口段和出口段均保留La。元件及管道的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖2 弧形槽扭旋元件管內(nèi)分布示意圖

1.2 數(shù)值模擬方法

1.2.1 模型假設(shè)

本文在數(shù)值模擬過(guò)程中做了如下假設(shè)：

1）流體為不可壓縮的牛頓流體。

2）流體流動(dòng)時(shí)為穩(wěn)態(tài)。

3）忽略流體物性隨溫度的變化。

4）忽略自然對(duì)流及熱輻射。

1.2.2 模擬方法

本文選用的工作流體為水，在雷諾數(shù)為4 000～10 000 的范圍內(nèi)進(jìn)行研究，選用reliablek-e湍流模型，該模型可以更好地模擬旋轉(zhuǎn)流動(dòng)和二次流，使用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)對(duì)近壁區(qū)域的計(jì)算進(jìn)行了優(yōu)化，在求解算法的選擇上選用SIMPLEC，方程離散采用二階迎風(fēng)格式。

1.2.3 控制方程與邊界條件

模擬所采用的邊界條件如下:

其中，Tw=343 K，Ti=293 K

扭旋元件表面采用無(wú)滑移速度邊界條件。

1.3 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

模型采用ICEM 進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為準(zhǔn)確模擬近壁面處的流動(dòng)換熱狀況，對(duì)靠近壁面的網(wǎng)格進(jìn)行了加密處理，分別對(duì)三種不同的弧形槽扭旋元件進(jìn)行了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)。Nu與網(wǎng)格數(shù)量的關(guān)系如圖4所示，當(dāng)n=1，n=2，n=3 三種元件的網(wǎng)格數(shù)分別達(dá)到1 795 731、1 836 308 和1 968 024 時(shí)網(wǎng)格數(shù)量對(duì)模擬結(jié)果的影響較小，綜合考慮計(jì)算精度和計(jì)算機(jī)資源，本文選取上述三種網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)行模擬分析。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 平均努塞爾數(shù)與溫度場(chǎng)分析

為了分析弧形槽扭旋元件中凹槽數(shù)量對(duì)管道傳熱性能的影響，本章對(duì)凹槽數(shù)量分別為1 個(gè)、2 個(gè)、3 個(gè)的弧形槽扭旋元件做了數(shù)值模擬，計(jì)算結(jié)果如圖3所示，可以看到在相同工況下，三種元件的傳熱性能相對(duì)于光管都有不同幅度的提升，n=3 元件傳熱性能最佳，n=2 元件次之，兩者整體差距不大，隨Re的升高其差值有逐漸增大的趨勢(shì)，傳熱效果最差的是n=1 元件，較n=2 和n=3 元件分別低了12.2%～15.6%和16.5%～20.2%，其主要原因是凹槽數(shù)量的變化對(duì)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)產(chǎn)生不同的擾動(dòng)作用。

圖3 平均Nu 變化曲線

三種不同數(shù)量弧形槽元件的截面溫度云圖如圖4所示，可以看到，三種元件都有不同的低溫流體聚集區(qū)，其中n=1 元件流體溫度最低點(diǎn)主要位于弧形槽內(nèi)，此外，弧形槽凸側(cè)臨近壁面的區(qū)域也有兩處面積較小的低溫區(qū)，從該元件弧形槽的分布位置就可以解釋此種現(xiàn)象，其只有單個(gè)弧形槽且位于管道中心線處，當(dāng)流體進(jìn)入管道后在該元件的作用下產(chǎn)生徑向旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，但中心處流經(jīng)單弧形槽的流體合速度最低，因此其產(chǎn)生的二次流作用較弱且不易與管壁處的流體交匯混合，這種現(xiàn)象導(dǎo)致了弧形槽中流體溫度明顯低于其他位置。

圖4 管道截面溫度云圖

n=3 元件雖有著上下對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，但其溫度分布并未像n=2 元件一樣呈現(xiàn)對(duì)稱的現(xiàn)象，其原因是流體流經(jīng)中間槽時(shí)會(huì)受其影響產(chǎn)生分離流動(dòng)，導(dǎo)致整個(gè)流場(chǎng)對(duì)稱性失衡，而n=2 元件中間為平板結(jié)構(gòu)，并不會(huì)對(duì)流體的流向產(chǎn)生影響。此外，n=3 元件于其他兩種元件不同的是，其上下兩側(cè)弧形槽中并沒(méi)有出現(xiàn)流體低溫區(qū)，上側(cè)弧形槽中反而溫度高于周邊流體，這種現(xiàn)象是由流體的旋向及與管道壁面的距離決定的，上側(cè)弧形槽距離管道壁面最近且槽中的流體流向管壁處，這種現(xiàn)象使得弧形槽內(nèi)的流體與壁面高溫區(qū)頻繁交換混合，因此槽內(nèi)流體溫度較高

2.2 阻力特性分析

三種不同數(shù)量弧形槽扭旋元件的阻力系數(shù)如圖5所示。

圖5 阻力系數(shù)變化曲線

可以看到，阻力系數(shù)最大的為n=3 元件，其所引起的阻力為光管的2.63～2.95 倍，n=2 元件次之，但兩者整體差距不大。弧形槽的存在會(huì)引起動(dòng)能損耗導(dǎo)致阻力增大，但結(jié)果表明n=2 元件和n=3 元件相差并不大，考慮這是由于n=3 元件兩側(cè)的弧形槽分布位置所導(dǎo)致，該元件上下兩個(gè)弧形槽緊靠壁面，而壁面處流體的速度相對(duì)較大，會(huì)將更容易帶出槽內(nèi)的流體使得槽內(nèi)流體與外界流體匯合時(shí)阻力減小，因此雖然其有3 個(gè)弧形槽，但整體阻力并未出現(xiàn)劇增的現(xiàn)象；n=1 元件由于單個(gè)弧形槽所引起的動(dòng)能損耗較小，所以其阻力也低于其他兩種元件。

2.3 綜合傳熱性能研究

PEC 值評(píng)價(jià)方法可以用來(lái)表征換熱效果與流動(dòng)阻力的綜合影響[12]，表達(dá)式[13]為

圖6顯示了三種不同弧形槽數(shù)量的元件的PEC值，可以看到，n=2 元件的綜合傳熱性能明顯優(yōu)于n=1 元件，而n=3 元件則呈現(xiàn)較大波動(dòng)，其PEC 值在1.28～1.33 之間，且雷諾數(shù)處于4 000～6 300 時(shí)其綜合傳熱性能表現(xiàn)較好，但隨著雷諾數(shù)增大PEC 值有較大的下降幅度，Re=6 300～10 000 時(shí)已經(jīng)低于n=2 元件，而n=1 元件在所測(cè)Re范圍內(nèi)PEC 值低于其他兩種元件。由此可以看出，在合適的工況下選擇最佳性能的元件是非常有必要的。

圖6 PEC 值變化曲線

3 結(jié) 論

本文研究了不同弧形槽數(shù)量的扭旋元件傳熱性能與阻力特性等，并與光管進(jìn)行對(duì)比以此體現(xiàn)弧形槽扭旋元件的強(qiáng)化換熱效果，分析了管內(nèi)流場(chǎng)及溫度分布情況，揭示了不同弧形槽數(shù)量的元件對(duì)流動(dòng)換熱影響的機(jī)理，研究結(jié)論如下：

1）裝有弧形槽扭旋元件的管道較光管具有更佳的換熱效果，同時(shí)阻力也相應(yīng)增大，三種弧形槽扭旋元件的PEC 均大于1，說(shuō)明其綜合傳熱性能優(yōu)于光管。

2）弧形槽的數(shù)量和分布位置對(duì)換熱效果的影響較大，n=3 元件較其他兩種有著較高的平均努塞爾數(shù)，較n=1 和n=2 元件最高增加了4%和15.9%。

3）裝有弧形槽扭旋元件管道的阻力系數(shù)隨凹數(shù)量的增加而提升，n=1 元件所引起的阻力較小，而n=2 元件和n=3 元件阻力系數(shù)提升明顯且兩者差距較小。

4）在Re=4 000～6 300 時(shí)n=3 元件的PEC 值最高，達(dá)到1.33；Re=6 300～10 000 時(shí)則n=2 元件表現(xiàn)較好，n=1 元件的綜合傳熱性能在所測(cè)Re范圍內(nèi)均不如其他兩種元件。