旋转环形截面弯管内流场结构及换热特性

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1、__________________________________________________________________________www.paper.edu.cn旋转环形截面弯管内流场结构及换热特性章本照陈华军张金锁（浙江大学力学系310027）Email:mec_zbzq@emb.zju.edu.cn摘要：环形截面弯管围绕其中心轴旋转时，同时受到科氏力和离心力作用，弯管内的对流换热更为复杂。本文对旋转环形截面弯管内的流动特性和温度分布进行了数值分析。结果表明：旋转环形截面弯管内的换热特性

2、主要由Dn数，F数（科氏力和离心力之比）,Pr数，和δ值（内外径之比）决定；文中给出并分析了在不同δ下流场结构与摩擦系数比随F数的变化特性和随Dn数的变化规律，并给出了在不同δ和Pr数情况下，温度场和管道Nu数随F数和Dn数的变化规律。关键词：旋转弯曲管道，二次流动，对流换热1、引言环形截面管道作为最为常见的管道之一，出现在多种工程实际中。而旋转运动的环形管道系统是一种更为复杂的管道流动，旋转对管道流动与换热特性的影响，已引起了人们的广泛关注。旋转管道的流场结构及换热研究对于工程实际应用具有重要意义。[1]

3、在曲线管道的对流换热方面，Futagami&Aoyama用数值模拟与实验相结合研究各种[2]Dn数，Pr、Re、Ra数组合下的螺旋管中的层流热交换；Garimella&Chdrards等实验研[3]究了环形截面弯管内强迫对流热交换，包括层流及转捩流；Goeringetal比较系统的研究了[4]曲率与浮力对完全发展的管流的双重影响；Yang&Ebadian用数值方法研究了扇环形截面[5]弯曲管道内流动及换热问题；此外Choi&Park分别用数值方法研究了弯曲环截面中的混合对流换热问题。[6]在旋转管道的研究方

4、面，Ludwieg对旋转矩形截面平面弯管内的流动进行了理论分[7][8]析；Miyazaki研究了该流动对温度传播的影响；Selmiect对矩形截面平面弯管流动分[9]叉问题进行了较深入的研究；Ishigaki利用数值计算的方法，研究了小曲率圆截面旋转弯[10]管内的流动，并且定义一新参数F（科氏力和离心力之比）；Ishigaki研究了旋转圆截面[11][12]管道的对流换热问题；章本照和张金锁等利用摄动方法成功的求解了小曲率下的旋转环形截面和圆截面内管道流动。前述的工作主要集中在对旋转或非旋转弯曲圆截面和

5、矩形截面管道的对流换热的研究，[5]而对旋转或非旋转环形截面管道内的流动与换热缺乏研究。Yang&Ebadian指出由于环形截面的内壁面的影响使得环形截面管道内流动特性和其他截面存在明显差别。而本文所进行的旋转环形截面弯管研究，由于旋转的影响使得管道内的流动和换热更为复杂。本文采用数1中国科技论文在线_________________________________________________________________________www.paper.edu.cn值方法，求解了旋转环形弯管内的流

6、场及温度场，分析了各参数对流场结构与温度分析的影响，并给出了管道摩擦系数比和Nu数随F数的变化曲线，这对于揭示旋转环形截面弯管的换热特性具有重要意义。2、圆弧曲线坐标系中的控制方程*如图1所示，环形截面平面弯管以定角速度Ω绕Z轴旋转，弯曲的中心轴线为圆弧线，**圆弧半径为R，管道的外圆和内圆半径分别为R、R。为使问题得到简化，建立以r,θ,soi[12]**为坐标变量的弧形曲线坐标系，r,θ可看作管道中心轴垂直平面上的极坐标，s是以*****中心轴线为坐标线的坐标。u、v、w分别为r,θ,s坐标的相对速度分

7、量。假定流场和温度场充分发展，内外壁面热流q保持不变，内外壁面温度T相等且沿截面周向保持不变。ww图1环形截面旋转平面弯管和坐标系Fig.1Therotatingannularcurvedpipeandthecoordinatesystem引入如下无量纲数：******srwuvpRis=，r=,w=,u=,v=,p=,δ=，RR****2RooWmWmWmρWmo**RoRo−RiΩdWmrh*Ro−Riκ=,κ=，Ω=,Re==W,Dn=2Reκ,h*mhRRWννm*Tw−TΩRΘ=，F=.*TsWm

8、*其中W为环形弯管的轴向平均速度；δ为内圆与外圆半径径之比；κ为基于R下的mo曲率，κ为基于水力半径r下的曲率；F表示为科氏力与离心力量阶之比，F>0表示hh旋转方向和轴向流动方向相同（正旋转），F<0表示旋转方向和轴向流动方向相反（负旋转）；ν为运动粘性系数；ρ为流体的密度；T为特征温度，其大小为qr/k，其中k为swh热传导系数。由于假定流动充分发展，因此有：2中国科技论文在线________________