污垢对圆管内层流换热三场协同的影响.pdf

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1、第34卷第3期东北电力大学学报Vo1．34．No．32014年6月JournalofNortheastDianliUniversityJun．．2014文章编号：1005—2992(2014)03—0031—05污垢对圆管内层流换热三场协同的影响张艾萍，沈忠良，张宏学(东北电力大学能源与动力工程学院，吉林吉林132012)摘要：在强化换热场协同原理的基础上，分析了对流换热中三场协同关系对传热的影响；并对圆管进行数值模拟，研究了不同结垢厚度下，圆管内层流换热速度场、温度场和压力场之间协同度的变化，对数值结果进行分

2、析，综合考虑换热和阻力特性。对不同污垢厚度圆管的综合性能做出评价。关键词：场协同；数值模拟；污垢；层流换热中图分类号：TK124文献标识码：A换热器在化工、冶金、石油、制冷、电力等行业中得到广泛的应用，它不仅是保证工艺流程和条件所广泛试用的设备，也是开发利用工业二次能源，实现热回收和节约能源的主要设备。据调查90％以上的换热设备都存在不同程度的结构问题⋯，污垢的存在影响了换热设备的传热能力，增加了流动阻力，严重妨碍了换热设备的正常运行，因此对于污垢的研究具有重要的理论意义和实用价值。过增元院士从能量方程出发，重

3、新审视了对流换热的物理机制，阐述了速度场与温度场的协同程度对于强化对流换热的影响_2J。刘伟等研究了层流对流换热速度场、压力场和温度梯度场三场之间的关系对强化换热的影响，给出三场协同的协同角的计算公式。本文在此基础上，结合污垢特性，对圆管内层流换热利用商业数值计算软件进行数值模拟分析，得出污垢分别对速度场与温度场、速度场与压力场协同性的影响，利用传热性能和流体阻力变化，对结垢圆管换热过程做出综合性评价。1三场协同强化传热理论二维层流换热边界层的能量守恒方程为：Pc。(【u“+J=【AJ．‘㈩(I)引入无因次变量

4、整理后可得无因次关系式：RePr』(U·VdY：Nu，(2)其中被积因子·可写成：u·v=1UllvlCO．(3)将(3)式代入(2)式可知，若矢量与矢量V之间的协同角越小，即速度矢量与温度梯度的协同性越好，则点积[／·V越大，Ⅳ就越大，则流体与壁面问的换热越强烈。收稿日期：2014—03—10基金项目：国家自然科学基金项目(51076025)；东北电力大学博士科研启动基金项目(BSJXM一201207)作者简介：张艾萍(1968-)，男，内蒙古自治区兴和县人，东北电力大学能院与动力工程学院教授，博士，主要研究

5、方向：换热器污垢生长特性及防除垢对策．32东北电力大学学报第34卷流体流动的动能方程为：--~-p，(4)方程(4)式中右边第一项是压降梯度的做功率，记为：Ⅳ=一·vp=一lMlJvpIcos0．(5)由式(5)可见，在一定流场分布情况下，当夹角0越大时，压降梯度的做功能力越强，流体的动能及黏性耗散越小，流体的流动阻力也就越小。所以，夹角0越大(速度与压力梯度方向越接近一条直线上)，速度和压力梯度的协同性越好，压力梯度的做功能力越强，产生的压力降越小。因为往往在换热强化的同时，流体的阻力损失也随之相应的增大，为

6、了考虑强化传热的综合性能，定义综合性能系数PEC为：N1

7、／Nu、PEc—t／—)1／3，(6)(f／—fo其中，Ⅳ。和分别为光管或平行通道内流体的努塞尔数和流体阻力系数。2模型的建立2．1物理模型本文选择圆管的三维物理模型对流体层流换热物理量协同进行数值模拟，圆管的物理模型见图1。圆管的长度=5000mm，圆管内径D：20mm，分别的圆管内壁结垢0．5mm、1．0mm、1．5mm、2．0mm做数值计算，忽略壁厚的影响。图1圆管的物理模型2．2数学模型数值计算采用有限差分法，差分格式采用二阶迎风差分。设定圆管壁

8、温(污垢外侧温度)为：350K；管道入口流体来流温度ro=300K；计算中选择水作为工质，流体物性均取为常数。操作条件为标准大气压，忽略重力的影响。并假设所有界面和接触表面不变形，液一固接触面为无滑移边界；流体通过管后无质量增量。管内流体的流动和热量传递满足连续性方程、动量方程以及能量方程等控制方程。连续性方程：+旦：0．f7arar动量方程：p(+“+O)=一O+(++)，(8)d丁cIOrOxOrr0rOx‘pca+u孤vaO+dr=一害ar+。car+÷rar+筹a一r，．c9能量方程：to+OAt+UV

9、2+十一c3r一=p—c—"(——十————十—)．1lU)a丁孤apef盟．+÷r考ar+a)．(1。)p对于污垢层，采用导热微分方程，即第3期张艾萍等：污垢对圆管内层流换热三场协同的影响33去(等+10Ts+02T,式中：A、P和c分别为污垢的导热系数、密度和比热容；为污垢温度。3网格划分及计算方法3．1网格划分及其无关性验证网格质量对于数值计算的速度及数值解的收敛性、稳定性、精确