基于场协同理论的强化管换热效果分析.pdf

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1、第43卷第1期化工机械97基于场协同理论的强化管换热效果分析+张艾萍”夏荣涛徐志明丁权杨钊王冲(东北电力大学能源与动力工程学院)摘要在湍流工况下，分别对圆管、横纹管、波节管和波纹管的换热效果进行数值模拟。应用场协同理论对数值模拟的结果进行分析，结果表明：各种换热管的努塞尔数和综合性能系数均随雷诺数的增加而增加，而场协同数则随雷诺数的增加而减小；"-3雷诺数较大时，各换热管的场协同数逐渐趋于定值；相同雷诺数下，横纹管的各项指标最高，而圆管最低。因此在相同工况下，应优先选择横纹管作为换热器中的强化换热管。关键词换热器

2、换热管对流换热场协同原理场协同数综合性能系数中图分类号TQ051．5文献标识码A文章编号0254-6094(2016)01-0097-05随着现代工业的不断发展，换热器在热力发电、石油、化工、冶金及低温制冷等众多领域得到了广泛的应用。因此，增强换热器内流体扰动达到强化换热的目的，并同时减小其流动阻力，提高换热器的综合性能，是节约能源、减少能源浪费的有效途径，符合我国可持续发展的基本要求。近几十年来，国内外学者在换热器的强化换热方面做出了重大贡献，但是他们对于对流换热的物理本质都没有做出详尽的解释。直到过增元院士提

3、出了协同理论，从能量方程的角度出发，对对流换热的物理机理进行了阐述，得出了温度场与速度场的协同程度对对流换热有重大影响的结论⋯。在随后的十几年里，国内很多学者利用数值模拟和实验的方法对场协同理论进行了验证。在此基础上，刘伟等提出了多场协同理论，对强化换热的性能进行了评价并解释了流体减阻与换热强化的物理本质¨。；何雅玲等通过压力场、温度场和速度场三场协同性对高效低阻强化换热技术进行了探讨¨3；张毅等基于场协同理论对板式换热器的性能进行了数值优化。4。；张艾萍等应用三场协同原理，研究了污垢对圆管内层流换热的影响p一1

4、。笔者通过场协同理论，分别对圆管、横纹管、波节管和波纹管进行数值模拟，对其换热效果进行了分析和比较。1三场协同强化传热理论过增元和黄素逸从能量方程的角度出发提出了场协同理论，并指出对流换热不仅取决于流体的物性、速度和壁面与流体的温差，还取决于温度梯度与速度场的协同程度‘川；当流体具有相同的温度边界条件和相同的速度时，二者的协同程度越好其换热强度也越高。三维场协同原理的关系式为伸1：Ⅳ珏-o．25脚r』『『I‘V～TdV(1)可·V7=I口I·Iv7lcos#(2)其中口为温度梯度矢量(热流矢量)与速度矢量之间的夹

5、角。将式(2)代入式(1)，可得：Nu=0．25RePrIJIUI·JVTlco唯dV(3)当流体速度和物性一定时，若热流矢量Vr与速度矢量U之间的协同角卢越小(即温度梯度与速度矢量间的协同程度越好)，则点积形式U·V蹴越大，从而Nu也越大，使得流体与壁面之间的换热就越强烈。场协同数为：凡-o．25小I．V—TdV=篇(4)+国家自然科学基金资助项目(51476025)。}{张艾萍，男，1968年2月生，教授。吉林省吉林市，132012。98化工机械2016薤当场协同数Fc=1时，则对渝换热中热流场与速度场完全协

6、同；当Fc

7、。波节管的几何参数：Dl=25mm，D2=19mm，sl=8mm，52=13ram，s=21mm。a．横纹管卜／—、∑／、／^＼／f一，l^i一，—、声—、／^、／一、b．波纹管c．渡节管图1换热管的几何尺寸2．2数学模型的建立管内流体流动和热量传递均满足连续性方程、动量方程和能量方程。具体方程如下：连续性方程譬+罢+譬=0(5)o^oyo‘动量方程p(詈+u詈栅o_。E，+埘詈)=署+町(等+0护2u+-0护2u)+F，(6)町I≯+ay2+。az2J+，(6)p【iⅦ瓦枷瓦+埘iJ2蒿+叼f等≮02yv+等)

8、+FF(7)叼【孬+ayz+虿J+(7)pf塑+。塑+。塑+驯塑1：望+pI而栅iⅧ面Ⅷ面J2盖+叼(≥+等+警)+Fzcs，叼【≯+万+可J+(8)能量方程％(鲁+u尝栅ayat+训詈)=A(筹+盟Oy2+善)c9，Al孑+一+孑J(9’2．3初始条件和边界条件笔者采用有限元差分法，二阶迎风差分格式，采用Standardk-8模型，用SIMPLEC算法处理速度与压力耦合