椭圆螺旋扭曲管内层流流动与传热数值研究

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1、椭圆螺旋扭曲管内层流流动与传热数值研究【摘要】采用数值方法，研究了层流状态下椭螺旋扭曲管内对流换热特性，并与普通椭圆直管相比较，研究了管内流体的Re数以及管子几何尺寸对其管内传热与流动性能的影响。结果表明，椭圆螺旋扭曲管是一种较好的强化传热元件，尤其对具有大粘度流体在低Re数的层流时具有较好的强化传热效果。换热得以强化的原因在于椭圆螺旋扭曲管内流体发生旋转，产生了二次流，较小的二次流与主流相叠加可大大强化传热，使得管内流体的换热得到强化。【关键词】椭圆螺旋扭曲管数值研究强化传热二次流1引言强化传热技术是指采用强化传热元件，改进换热器结构，提高换热器效率，

2、以降低换热设备投资和运行费用。比如在热电厂中，包括锅炉在内的换热设备投资约占总投资的70%左右。因此，应用强化传热技术降低建设和运营成本是重大的现实需要。在开发高性能强化传热元件方面，经过几十年的研究与发展，国内外研究人员开发出诸如螺旋槽管、横纹管、缩放椭圆螺旋扭曲管内层流流动与传热数值研究【摘要】采用数值方法，研究了层流状态下椭螺旋扭曲管内对流换热特性，并与普通椭圆直管相比较，研究了管内流体的Re数以及管子几何尺寸对其管内传热与流动性能的影响。结果表明，椭圆螺旋扭曲管是一种较好的强化传热元件，尤其对具有大粘度流体在低Re数的层流时具有较好的强化传热效果

3、。换热得以强化的原因在于椭圆螺旋扭曲管内流体发生旋转，产生了二次流，较小的二次流与主流相叠加可大大强化传热，使得管内流体的换热得到强化。【关键词】椭圆螺旋扭曲管数值研究强化传热二次流1引言强化传热技术是指采用强化传热元件，改进换热器结构，提高换热器效率，以降低换热设备投资和运行费用。比如在热电厂中，包括锅炉在内的换热设备投资约占总投资的70%左右。因此，应用强化传热技术降低建设和运营成本是重大的现实需要。在开发高性能强化传热元件方面，经过几十年的研究与发展，国内外研究人员开发出诸如螺旋槽管、横纹管、缩放管、波纹管、椭圆管、滴形管、透镜管、螺旋椭圆扁管、交

4、叉缩放椭圆管、椭圆螺旋扭曲管等。本文主要研究椭圆螺旋扭曲管内的流动与传热特性椭圆管的阻力特性和换热特性都比圆管优越，其管内对流换热得到强化的同时，管外椭圆近似于流线型，流体外掠时阻力较小，有利于降低换热器的泵功，能使换热器结构紧凑，是一种理想的传热元件。流体在做层流运动时换热系数很低，而层流流动与换热在诸如石油、冶金、化工、食品等现代工程领域中应用极为广泛，许多工艺过程都涉及到对黏性流体的加热或冷却。传统椭圆管管壳式换热器已难满足工艺要求。因此，必须寻找新的方法强化这些场合管内层流流动的换热。扭曲管就是一种强化的新手段，流体的流动受到管道几何形状的影响，

5、在垂直于主流的截面上产生二次流，使得流体存在指向壁面的分速度，提高了近壁面处流体的温度梯度，增强了截面上的速度和温度分布的均匀性，从而大大强化了传热［1-2］。管内流体与壁面的阻力损失主要决定于主流在壁面法线方向的梯度，而不是由二次流的梯度决定的，所以管内阻力增加不大。所以这种强化方法较其它强化手段的显著优点在于它以较低的阻力损失来换取较大的传热强化［3-4］。椭圆螺旋扭曲管管壳式换热器管程是截面形状为椭圆形的螺旋形流道，二次流强扰动强化了管程传热。壳程靠相邻管长轴端部的点接触相互支撑，省掉了折流板，使管子排列紧凑，换热器尺寸和重量减小。壳程流体周期性改

6、变流速和流动方向，加强了流体的纵向混合。同时，流体经过相邻管子的螺旋线接触点后形成脱离管壁的尾流，流体揣流度增加，流体在管壁上的传热边界层被破坏，从而强化了壳程传热［5-6］。椭圆螺旋扭曲管具有传热效率高，压降小以及很好的自洁性等突出优点，是一种适合于同时强化管内层流流体和管外流体的换热，具有很广阔的应用前景。本文采用数值方法对椭圆螺旋扭曲管的流动与传热特性予以研究，主要讨论Re数，扭率Tr以及管截面的B/A对椭圆螺旋扭曲管内二次流和对流换热的影响。2物理数学模型和数值方法2.1几何模型2.3数值方法采用坐标变换把物理空间变换到计算空间中的规则区域，控制

7、方程及边界条件亦变换到计算空间。在计算空间，采用双边界法生成结构化网格，采用有限容积法进行数值分析。对流项采用乘方格式，扩散项采用中心差分格式，利用SIMPLE算法处理速度与压力的稱合问题［8］，并采用Rhie-Chow的方法计算界面上的逆变速度，把相邻两点间的压力差引入界面上压力梯度的计算，以抑制不合理的压力场产生。为了考核网格解的独立性，选择21X65X80,31X75X120和41X85X140三种网格密度，在参数Tr=8.0,B/A=0.7,及Re=500的条件下，对椭圆螺旋扭曲管流动及传热特性进行计算，结果如表1所示。Nu数和阻力系数f在不同网

8、格密度下最大误差都不超过3%，网格数目的变化，对于Nu数和阻力系数f的影响己经很