污垢对管内层流对流换热场协同影响的数值研究.pdf

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1、化工机械2010年污垢对管内层流对流换热场协同影响的数值研究+张艾萍料(华北电力大学)徐志明贺香英(东北电力大学)摘要利用数值分析的方法，研究了污垢对管内层流对流换热速度场、温度场及它们之间协同度的影响。结果表明，在流速不变的情况下，污垢层厚度增加，管壁的对流换热系数增大，流场和温度场的协同性增强，但总传热效果变差。关键词换热管污垢对流换热场协同原理数值计算中图分类号’I哪1．5文献标识码A文章编号0254-6094(2010)02-0204-04由于换热器工质不洁物质在换热面上沉积，使得绝大部分换热器管内

2、都会产生污垢。这些污垢不仅影响热流的传递，而且对管内流体的流场和温度场的分布都有一定的影响。很多学者和专家对对流换热和污垢热阻的影响及污垢的监测和预测进行了细致深入的研究，得出一些具有理论意义和实用价值的结论。过增元院士等人提出的对流换热场协同理论为研究对流换热、优化和发展强化换热新技术提出了新的思路¨’2J，但有关污垢对管内流动和对流换热场协同影响的研究甚少。为此，笔者利用数值分析的方法，将污垢对管内层流对流换热速度场、温度梯度场及其之间协同程度的影响进行了分析与研究。I．三维网格模型1数值计算模型1．1

3、几何模型换热管数值计算的几何模型如图1所示，管径20mm，长度15m。流动状态为层流，管壁采用恒壁温加热方式，管道进口处的速度不变，并作如下假设"J：a．流体为不可压缩流体，物性为常数；b．忽略重力的影响；C．所有界面和接触表面不变形，液-固接触面为无滑移边界；c1．管子周向速度、温度和压力等的变化可略而不计(即简化成二维问题)。5．二维平面网格模型图1数值计算几何模型·国家重点基础研究发展规划基金项目(2(mCB206904)。··张艾萍，男，1968年2月生，教授。北京市，102206。第37卷第2期化

4、工机械由于管内流动与换热为轴对称分布，为进一步简化问题，只取圆管轴心上面一侧作为研究对象，则将问题简化为二维、非稳态、常物性、轴对称层流流动与换热问题。流体区网格为200×10，而且接近污垢层内侧比较密，管道中心位置较疏；污垢层的网格为200×5，都是长方形网格，图lb所示的是图la的一个截面的上半部分。1．2数学模型【4’1．2．1控制方程对于管内流体有，质量守恒方程(连续方程)：丝+垫+生：O(1)砸dr，动量守恒方程：警饥警)=古害叫争+杀㈩等+Ⅱ；警)=古謇+t，(≥+÷警．021．1％1+虿J(2

5、)02Ⅱ八+吾J(3)能量守恒方程：％OT托iOT=面A舢102r2T+÷等+翔(4)坼石+叱i2面。Iar2+了石+万J”)式中Ⅱ：、M，——分别为水在轴向彳和径向r两个方向的流速；P——水的压力；丁——水的温度；矽——水的运动粘性系数；c。——水的定压比热容；A——水的导热系数。对于污垢层，采用导热微分方程，即：P去(争+÷等+等)_0㈩——l—了+————+—百l=U‘))。c。＼a，r加以‘／‘’式中A。——污垢的导热系数；P。——污垢的密度；c。——污垢的比热容；t——污垢温度。1．2．2边界条件

6、管壁为恒壁温边界，壁温(污垢外侧温度)为L=350K；污垢内侧和流体之间为固液耦合壁面边界，即t．=五+，q。．=q，+；管道入口为速度边界，T=ro=300K，“=／／,o=0．02m／s；管道出口为任意出口边界，不用设置。1．2．3物性参数换热管中污垢和流体(水)的物性参数如下：污垢导热系数A。1．4W／(m·K)污垢密度P。2700kg／m3流体导热系数A0．6w／(nl·K)流体密度P998．2kg／m3流体定压比热容C。4．182kJ／(kg·K)流体粘度肛1．003mPa·s1．2．4协同角的计

7、算由二维层流能量方程的矢量形式，引入无因次变量可获得无因次关系式⋯：Nu。=Re，Pr『；(u·Vr)dr(6)其中矢量点积项移·V7可表示为：刁·V7=I移llV7Icoq3(7)由此可得各点的协同角为：卢=arccos等品(8)则全场面积平均协同角为【5J：tL-畿(9)2计算结果在物性参数和入口参数一定的条件下，对管壁温度恒定的管内层流对流换热进行了计算，图2给出污垢层和流体中的温度分布，图3给出不同污垢层厚度下协同角沿流动方向的变化情况，表1给出污垢厚度与平均协同角及努塞尔数的．关系。^o啦援匿盘图

8、3协同角沿流动方向的变化化工机械2010年表1污垢厚度与平均协同角的关系由图3可知，随着污垢层增厚，平均协同角减小，说明管内对流换热的流场和温度梯度场的协同性变好。污垢层内侧与流体之间对流换热的努塞尔数增大，对流换热性能增强。3分析与讨论对流换热是温度场和速度场共同作用的结果，它的大小不仅与物性有关，而且取决于速度和温度的分布。下面从污垢对速度场和温度场以及对它们的协同程度的影响，分析污垢对对流换热的影响。3．1