内翅片环形管内高粘度流体强化传热数值模拟.pdf

《内翅片环形管内高粘度流体强化传热数值模拟.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、石油机械2010年第38卷第5期CHINAPETROLEUMMACHINERY●专题研究内翅片环形管内高粘度流体强化传热数值模拟吴天峰lf拿，(1．西安石油大学陕西省油气田特种增产技术重点实验室2．西安交通大学能源与动力工程学院)摘要以空气、水和油为工作介质，采用层流及湍流模型对内翅片环形管内的流动与传热特性进行数值模拟，重点讨论粘度变化对内翅片环形管传热规律的影响。采用有限容积法对计算区域进行离散，采用SIMPLEC算法处理速度和压力耦合问题，固体壁面上的速度采用无滑移边界条件。结果表明，3类流体在湍流状态下，油的综合传热因子最大，并随着Re的增加而增大，"-3Re在8000以上时，其综

2、合传热因子趋于饱和状态；在层流状态下，粘度越大，流体局部Nu越大，其入口段效应的影响范围越大。在层流到湍流范围内拟合出内翅片环形管的流动与传热准则关联式，为内翅片环形管及相关紧凑式换热器的工程设计及应用提供了理论依据。关键词内翅片环形管传热特性粘度阻力系数数值模拟模拟方法对水、油等流体，特别是油类高粘度流体0引言在内翅片环形管内的流动与传热规律进行计算分析，重点讨论粘度变化对内翅片环形管传热规律的环形管作为一种传热元件广泛应用于石油化影响，为内翅片环形管及其相关紧凑式换热器的工、工、电力、制冷及太阳能等领域¨。。在石油化工程设计及应用提供理论依据。中，采用普通的环形光管对高粘度流体进行加热

3、，常出现管壁附近流体温度过高，管子中心部位流体1物理模型及计算方法加热不足(即流体加热不均匀、不充分现象)，从而降低了换热设备的整体效率，增加生产成本。由于内翅片环形管翅片分布及边界条件的对称因此，有必要对管内流动传热进行强化，以此提高性与周期性，数值计算建模中选择其中1个波纹的整个设备的传热效率及其结构紧凑性。由于翅片大作为计算区域，如图1所示。大增加了传热面积而得到广泛应用。近年来，环形管内加翅片作为一种强化传热技术有了一定的研究。。卜引，其传热介质大多为空气，而对于油类等高粘度介质在内翅片环形管内的传热规律的研对称究则少有报道。文献[12]以空气为传热介质，Dy通过试验及数值模拟的方

4、法研究了内翅片环形管内的强化传热规律，发现内翅片环形管的传热效率要图1内翅片计算模型区域与边界条件优于传统的环形光管，但其流动阻力则有相应的增笔者将分别采用层流及湍流模型对内翅片环形加；文献[13]则进一步通过场协同原理对内翅管内的流动与传热特性进行数值模拟。对于高普朗片环形管的传热机理进行了分析，发现内翅片环形特数Pr流体，由于流体温度对其粘度值的变化有管整体的对流传热场协同效果要好于一般光管，从影响，数值计算中应当考虑变物性的影响，所以，而使其传热效率得到了有效提高。笔者将通过数值上述物理问题为三维稳态不可压缩变物性对流传热西安石油大学科技创新项目“含内热源多孔介质流动与传热特性的研究

5、”(Z07013)。一20～石油机械2010年第38卷第5期问题，其流动与换热控制方程的通用形式为：阻力系数-厂2个指标研究分析对内翅片环形管V·(p)=V·(厂)+S(1)传热的影响规律。油类介质的粘性数据参考文献湍流计算模型采用，(一两方程湍流模型，[15]，其运动粘度随温度的变化情况如表2所示。湍流模型不同变量的扩散系数及源项的具体形式见表2不同温度下油类的运动粘度表1，其参数字符的定义及单位可参考文献[14]。表1不同变量所对应的(b、F2．1层流状态下传热特性当流动雷诺数e一定时，流体粘度对环形管内的传热特性有着一定的影响。因此，有必要对油类等高粘度流体在内翅片环形管内的层流传热

6、规律进行计算分析。通过数值模拟分析在一定的雷诺数Re=100下，不同粘度流体(空气、水和油类)在内翅片环形管内局部努塞尔数Nu沿流动方向的变化规律，其计算结果如图2所示。采用有限容积法对计算区域进行离散，网格划8070分为六面体网格。采用SIMPLEC算法处理速度和60压力耦合问题，对流项的离散格式为QUICK，固50体壁面上的速度采用无滑移边界条件。计算模型的主4030具体边界条件给定如下：20进口截面M=M，=0，OJ=0，T。=Tm；出100口截面：：：_aT：0；固体外壁面：：L／mdxOxdxdx=0，q=const(恒量)。图2不同流体局部ⅣM随流动方向的变化曲线波纹管平均努塞

7、尔数Nu定义为：图2表明，在雷诺数一定的情况下，油类流体Nu=hD^／A(2)在内翅片环形管人口段范围内的局部对流传热努塞雷诺数e定义为：尔数Nu最大，其次为水，空气最小。即粘度的增Re=MD^／v(3)加有助于提高流体在内翅片环形管内人口段的局部式中——对流传热系数，w／(m·K)；对流传热系数，且粘度越大人口段效应影响的管长A——空气导热系数，w／(m·K)；范围越大，3类粘度流体在充分发展段的局部努塞“——来流平均