超声空化对换热器场协同影响研究.pdf

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1、第38卷第5期化工机械577超声空化对换热器场协同影响研究+张艾萍”1’2谢立强2徐志明2(I．华北电力大学；2．东北电力大学)摘要针对超声波在防除垢对换热器场协同的影响，采用FLUENT软件中的两相流模型、空化模型和标准K一占的湍流模型，获得流场压强随时间步长的变化规律——流场波动呈类似正弦渡波动。引入空化数的概念；利用盯定理推导雷诺数和空化数的函数关系——雷诺数与空化数呈幂函数关系，雷诺数随着空化数的增加而减小；根据场协同原理，表示出空化数和场协同数的关系——场协同数随着空化数的增大而增大。关键词换热器空化数雷诺数场协同数中图分类号TQ051．5文献标识码A文章编号0254-609

2、4(2011)05-0577-03换热器是使热量从热流体传递到冷流体的设备，为了降低换热设备的重量，减少换热设备的体积，节能降耗，应力求强化传热过程。强化传热研究的主要任务是提高换热器的热效率来实现能源的合理利用。换热器在使用过程中，污垢沉积物会不可避免地在传热表面上生成，出现结垢现象。污垢的形成将影响换热器的换热系数，使传热能力降低，造成了很大的损失。正因为如此，近年来，超声波防除垢技术得到了迅速发展。超声波利用其高频超声震动在流场中产生超声空化剥离管壁污垢，并减少污垢的生成，超声波在防除垢过程中对流体的场协同也将产生重要影响，笔者通过推导空化数与雷诺数的关系继而推出空化数与场协同数

3、的关系，并利用图表表示出来。1空化模型建立和数值模拟利用流体动力学软件FLUENT，并采用混合两项流模型，空化模型，和标准的K啮湍流模型对流场进行数值模拟⋯。混合两项流连续方程：3j{r-(p。)+j}(p。u；)=0(1)U●U^I混合两项相流的动量方程：塑生+型：一塑+旦[(。饥)(丝+O．uL)]+Pg；(2)口^I汽泡动力学计算式：盟Ot+蠹mq)丢Ox]协m(3)缸；。、⋯i。、’在管内附近取0点，观察流场的变化‘21，一个timestep代表一个时间步长，20个时间步长代表一个超生周期(0．05ms)，图1所示的是压强随时间步长的变化关系。∞厶《憩出图1流场压强随时间步长的

4、变化曲线}国家重点基础研究发展规划基金项目(2007CB206904)。··张艾萍，男，1968年2月生，教授，东北电力大学成人教育学院副院长。北京市，102206。578化工机械2011年2空化数与雷诺数的关系为了反映空化对雷诺数的影响，引入了“空化数”这一个无量纲数：c，：掣(4)P”o式中C，——空化数；P。——空化场中的压力；P。——相应温度下水的汽化压强；p——水的密度；％——水流的平均流速。影响空化的因数包括P。、P，、P、秽。、C。纵d和管内过流面积S，不考虑管内粗糙度的情况下得到：，(pl，P，，P，fro，c，，弘，d，s)=0令P。-p，=Vp则上式表示为：，(Vp

5、，p，"o，C。，p，d，s)=0利用盯定理令：口VPS1rl=—i—1丽霄2=—磊—盲■万1r，=—五—百丽p／30dP秒o4P130d根据量纲一致原则确定霄式对应系数：以赤，暑，事Ⅲ寻赤利老，砉，专Re=A(c，，事)又因事：i4穹Re=工(c，，告)(5)·根据文献[3]中得出的波纹管、横纹管和横肋管的雷诺数Re与空化数C，之间的关系曲线(图2)，拟合出雷诺数与空化数之间的关系式(k和口为常数见表1)：Re=kC。4(6)叩宝×舢髦巅揠衄图2雷诺数随空化数的变化曲线表l根据不同形式管道获得的k和a值3场协同数与空化数的关系场协同原理¨1是我国学者过增元教授于1998年提出来的，此

6、理论主要阐述了流体热流场和速度场的协同对强化换热的影响，即对流换热不仅取决于流体的流速、物性、换热面积、温差，还与速度与温度的协同角有关”1。层流边界层的能量方程为：pc，(u婴+。娶)：害(AiaT)(7)p。，(u面+”面)。面(A面)【7)把上式改写成矢量形式：』：l㈤以(雷．VT)dy：一b’昨(fDI．IVTI．cosO)d，，F。：一A罟I，弧㈤(8)d’y引入无因次变量：亩=芒V亍=鼎将式(9)带入式(8)得：RePrI：庙．v拍，，：Nu令，。=』亩·V讹y=而Nu(10)层流边界层努塞尔数：Nu=0．664Rel72Prl6将式(11)和式(6)带入式(10)得场协同

7、数F。=f百～Tdy而Nu=型掣(12)将表1中3组不同的k和口值分别带入式(11)中，C。依次取6个不同数值，从而得到3组不同的F。值，见表2。第38卷第5期化工机械579表2协同数F。与空化数C，的关系tl=44900，8l=一0．543k2=23500，42=一0．500b=10300，Ⅱ3=一0．513O．1500．152O．151O．202O．2000．2000．2320．2270．229O．254O．247O．2490．2720．2