横纹槽管管外强化传热数值模拟与场协同分析.pdf

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1、第37卷第5期化工机械609横纹槽管管外强化传热数值模拟与场协同分析陈志静+(广东石油化工学院)摘要利用FLUENT软件对横纹槽管和光管水平管外的对流传热进行了数值模拟，并比较两种管的换热特性。结果表明，在相同条件下，横纹槽管外侧换热系数是光管的1．2一1．5倍，且随着m的增加。倍数值逐渐减小。最后应用场协同理论，从局部换热角度分析其强化机理。分析结果说明横纹槽管外侧换熟得到强化的原因是协同程度随其周围的速度场与温度场之间夹角的变化而改变。关键词横纹槽管数值模拟强化换热场协同中图分类号TQ051．5文献标识码A文章编号0254—6094(2010)05一0609一04近几年

2、来，随着世界经济的快速发展，能源紧张的问题也越来越突出，如何采取更有效的节能措施、设计更先进的换热设备已成为国内外众多学者研究的难题。横纹槽管是上世纪70年代中期出现的一种高效换热元件，因其在传热性能上明显优于光管，且具有结构紧凑和加工制作方便等优点，在动力、能源、化工及核反应堆等场合中的蒸汽发生器和换热设备中得到了广泛应用。随着计算机、计算流体力学(cFD)和计算传热学的迅速发展，数值模拟已经成为研究流体流动和传热的重要方法。文献[1，2]对横纹槽管进行了比较深入的研究，但都从比较传统的换热原理角度去分析横纹槽管换热特性。笔者应用FLUENT软件对横纹槽管外的换热特性进行

3、模拟，得出换热系数，并从场协同原理的角度分析其强化换热机理。1模拟计算过程1．1模型结构横纹槽管结构如图1所示，其管外径为16mm，槽宽为2mm，相邻槽间的距离为10mm。笔者研究的是横纹槽管管外流体流动和传热问题，其计算区域为环形空间。由于结构具有轴对称性，流动区域可以采用二维建模(图2)代替三维建模，以减少计算量。“。9。)(．9—10一图1横纹槽管结构示意图毫j美燮乙∑温边界条件l～厂—、／—-、厂一图2二维模型及边界条件设置1．2网格划分及边界条件采用结构化网格对所建立的几何模型计算区域进行离散，考虑边界层对传热和流动的影响，将壁面附近网格加密。利用有限体积法离散方

4、程，非耦合的稳态隐式格式求解。采用标准J}．占湍流模型计算模拟横纹槽管管外湍流时的流动和传热情况。压力与速度的耦合计算采用sIMPLE方法¨’，对流项采用二阶迎风格式，定义收敛的条件为残差绝对值小于1×lO一。边界条件的设置如图2所示，入口为velocity．·陈志静，男，1984年1月生，助教。广东省茂名市，525咖。610化工机械2010年inlet，出口为outflow，内壁面温度恒定，外壁面设为绝热。为了和光管传热的效果进行对比，模拟光管时其模型和边界条件和横纹槽管一致。2模拟结果与分析2。1速度场和温度场的模拟笔者在相同的条件下对横纹槽管和光管进行了多组数值模拟计

5、算，以空气为介质。当人口速度为3．5—n／s时，横纹槽管和光管的温度和速度分布如图3、4所示。由图5可以看出，横纹槽管的出口温度比光管高，由传热学可知，其换热效果比光管的好。图3温度分布云图图4速度分布云图图5出口温度分布2．2传热膜系数模拟结果分别对不同流速下的横纹槽管和光管进行数值模拟计算，得到了传热系数和雷诺数的关系曲线图，如图6所示”1。从图6中可知，光管的模拟值与理论计算值的最大误差不超过10％。对比横纹槽管与光管的传热膜系数，可得横纹槽管的传热膜系数提高了1．2—1．5倍。k；旨●苣毒垛餐鬃啦图6横纹槽管与光管传热膜系数比较根据横纹槽管的结构分析换热特性可知，流

6、体经过横纹槽管的凹槽时，管壁上形成轴向漩涡，增加了流体边界层的扰动，促使边界层表面更新加剧，有利于使热量通过边界层进行传递。当涡流将要消失时，流体又经过下一个圆形凹槽，所以能保持不断地生成轴向漩涡，这就保证了连续稳定的强化换热作用。3场协同原理分析3．1场协同原理文献[5]中提出的场协同原理，以二维层流边界层为例，其能量方程为：衅(M誓+移舅)=专(A舅)c·，p。，【M瓦枷万J_万IA丽J(1’对上述方程积分并无量纲化得：Ⅳu=RePrf：(u·Vr)dy(2)可·V于=l口I

7、V7lco昭(3)式中口——热流矢量和速度矢量的夹角。从式(2)、(3)可以看出，速度和温度梯

8、度的夹角口在控制对流换热的强度时起着很重要的作用。当它们的夹角卢小于900时，口越小则对流换热系数越大，当口=00时，可以达到最大值。3．2局部传热膜系数沿程变化通过模拟，得出局部沿程传热膜系数的变化规律如图7所示。从图7可以看出，光管的传热膜系数沿程变化很小，基本趋于水平。横纹槽管的传热膜系数在前面一小段基本与光管重合，在流体处于凹槽的开始段时，传热膜系数有一个小的峰值，之后随着凹槽的加深，传热膜系数急剧减第37卷第5期化工机械61l小，当凹槽的深度逐渐变浅时，传热膜系数逐渐增加，在凹槽的结束处，传热膜系数达到一