螺旋内肋管换热及流体流动数值研究

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1、中国工程热物理学会学术会议论文学科类别:传热传质学编号:123296螺旋内肋管换热及流体流动数值研究靳遵龙，王珂，李水云，刘敏珊(郑州大学河南省过程传热与节能重点实验室，郑州450002)(Tel:0371-63887823,Emai1:zljin@zzu.edu.on)摘要：利用CFD技术，针对螺旋内肋管的不同结构参数，对不同螺距、螺旋角和肋高等27组结构进行数值研究，详细分析了各个结构参数对流体流动及换热的影响。结果表明，适当减小螺距可有效提高管侧对流换热能力，同时伴随着阻力降增大，但是换热性能对雷诺数的增长趋势更为明显，综合性能趋势向好。随着肋离的增大,在高雷诺数区域强化管的换

2、热性能随肋离的增加变化得更为明显，且摩擦系数增加的比例与肋高增加的比例人致相当。拟合了螺旋内肋管换热及阻力性能公式，同时对强化管综合性能做出评价。关键词：螺旋内肋管；换热；流体流动；数值研究0前言内螺纹管是一种在管内壁上设置螺旋型螺纹的高效无源强化换热管,口前在石油化工、动力工程和制冷等行业中得到广泛应JIJllJo当单相流体在内螺纹铮管内流动时，在近似轴向周期性螺纹突起的作川卜迫使管内流休产牛周期性的旋转扰动，有利于减薄边界层，降低边界层传热热阻。近似轴向的流体旋转运动，减小了主体流体速度与热流矢疑之间的夹角,改善了速度场与热流场的协同程度。流体与管内壁Ifli进行换热时，所进行的

3、热虽传递主要是由分子的导热与湍流输运共同完成。在近壁面附近，边界层热阻占总传热热阻的70%［2］o因此，流体旋转扰动所造成的边界层减薄降低了传热热阻。并且，管内的螺纹突起使流体产牛.流动脱离区，形成湍流漩涡，从而强化了传热［3］。国内外许多研究者对内螺纹强化换热管进行了卓有成效的研究。但是，由于所研究的内螺纹管的材质、结构参数、加工方法及研究手段的不同，所得结论也不尽相同。LixinCheng&TingkuanChen［4］通过实验证实，内螺纹管的传热系数是对应光管的1.2至1.6倍，压力损失是对应光管的1.4至1.7倍，并给出了内螺纹管的努塞儿数及阻力系数关联式，该关联式并没有体现

4、出结构参数对传热及压降的影响。WentaoJi等人⑸在假设强化系数为1的基础上,依据Gnielinski公式［6］,推导；l

5、TGnielinski扩展公式，用来预测内螺纹管强化传热。该扩展公式的计算结果与440组实验数据进行了对比，最大误差为40%左右。刘湘云等人［7］用实验手段研究了内肋管不同肋高及不同肋条数对管内流体流动与换热特性的影响，研究结果表明管内换热得到强化，同时也伴随着阻力损失增大，没有给出相应的关联式。以上众多研究较多采川实验手段，很难获得管内流体流动及换热的细观信息。木文采川数值方法，利川CFD技术，针对内螺纹管的不同结构参数，对不同螺距、螺旋角和肋高等27组结构

6、进行数值研究,详细分析了各个结构参数对流体流动及换热的影响，并以研究结果为基础，拟合了内螺纹管换热及阻力性能公式，同时对强化管综合性能做出评价。1物理及数学模型1.1物理模型基金项H：中国博士后科学基金项H(20100471002),中国博士后科学基金特別资助项H(201104400)从物理结构上看，内螺纹管管内流道呈周期性变化。对英管内流体流动与换热进行数值模拟，建模时可利用周期性结构计算模型进行简化，在获取有效数值结果的前提下可人幅减少计算工作量。当管内流体流动进入充分发展阶段以后，流体流动与换热均以若干个儿何周期为变化规律在主流方向上亟复。沿管内流体流动方向可以划分为进口段、周

7、期性充分发展段和出口段。管内流体流动人部分处于周期性充分发展段，该段的流体流动和换热性能，很大程度上反应了内螺纹强化管的基本性能。本文充分利用内螺纹管的这种特殊结构，在流体流动充分发展段选取其中的一个螺距长度，作为周期性全截面计算模型进行数值求解。直观的周期性全截血物理模型如图1所示。其中：螺距为10-25mm;肋高为0.5-1.2mm；螺旋角为70-85°Co图1周期性全截面物理模型1.2数学模型及边界条件计算吋假定流体不可压缩、定常流动并忽略重力的影响。将连续方程连同动量方程、能量方程构成可用来求解湍流流动与换热问题的封闭的控制方程组[8],湍流计算模型采用H前便用最为广泛的标准

8、总两方程模型。管内流动工质为水，入口温度为300K,设置恒定外壁面温度为400K。采用速度入口以及压力出口边界条件。雷诺数Re在15000-25000之间。采丿

9、J有限体积法将计算区域划分成网格，离散格式采用二阶迎风格式。为了捉高计算精度，采用结构化六面体网络，由于内壁而上存在螺旋内肋，给网格划分带来困难。将内肋所在区域单独剖分，并对其表面采用增强壁面函数法进行边界层细化。2计算结果及分析本文采用有限体积法，利用CFD技术，対27组不同结构参数的内肋管进行