纳米流体在内置扭带管的传热数值模拟.pdf

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1、第35卷第2期东北电力大学学报Vo1．35．No．22015年4月JournalOfNortheastDianliUniversityApr．，2015文章编号：1005—2992(2O15)02—0010-08纳米流体在内置扭带管的传热数值模拟孙斌，刘彤(东北电力大学能源与动力工程学院，吉林吉林132012)摘要：为了对比纳米流体在内置扭带管中的强化传热效果，建立了以Cu-水纳米流体和水为传热介质的内置扭带强化换热管的管式换热器物理模型，采用RNGk-进行数值模拟研究，并与实验结果对比，得到了内置扭带换热管流体流动的速度、温度、湍流强度场的分布规律及特性。比较了两种质量分数的纳米流体与

2、水在六种不同扭转比的扭带换热管中和两种不同材质的内置扭带分别对强化传热的影响。结果表明，以cu一水纳米流体为工质的内置扭带管的换热效果明显优于纯水；质量分数为0．8％的cu一水纳米流体换热效果优于0．5％的cu一水纳米流体，扭转比越小，则换热效果越好，质量分数为0．5％的Cu-水纳米流体在扭转比为2．5的内置扭带管中相对于水在光管的强化幅度为0．51；铜制扭带的换热效果优于铝制扭带。关键词：内置扭带管；纳米流体；数值模拟；强化传热中图分类号：TK124文献标识码：A在换热管中使用涡流发生器使流体产生旋转强化传热的方法越来越引起了人们的关注。常见的涡流发生器有静态混合器、螺旋扭带、错开扭带

3、、螺旋线圈、螺旋叶片和螺旋刷等，有的已成为产品在实践中有了较好的应用。而在管内插入扭带可以达到强化换热的目的也已被很多学者证实，其主要原因是使管内流体产生旋转并引起二次流，促进径向混合，在离心力影响下使管中心流体和壁面边界层流体充分混合，在换热壁面附近造成一个温度和速度变化均比较显著的边界层区域，从而达到强化传热效果引。自1995年美国Argonne国家实验室的Choi等人提出了纳米流体的概念以来，围绕着纳米流体的强化传热，国内外的研究人员分别测定了不同种类、不同体积份额的纳米流体的导热系数’。。研究结果表明，在液体中加入纳米颗粒，可以显著的提高液体的导热系数，所以纳米流体在强化传热方面

4、有广阔的研究前景。而前人在纳米流体的研究中，大多致力于纳米流体传热性能的研究。X．F．Li等"实验研究了溶液的pH值及表面活性剂对Cu-水纳米流体热导率的影响。结果表明cu一水纳米流体的热导率与纳米颗粒的质量分数、溶液的pH值以及表面活性剂SDBS的用量密切相关。在最佳pH值和最佳SDBS用量下，加入0．1％质量分数纳米cu粉时，热导率提高10．7％。结果表明，紊流状态下纳米流体的对流传热系数和Nu数随雷诺数的增加而增加。含有2％体积分数纳米Cu颗粒纳米流体的Nu比水提高了39％。现有的对纳米流体的研究主要集中在圆管以及内螺纹管中，在内置扭带管的研究还不多。故本文对纳米流体在内置扭带管进

5、行研究。前人对内置扭带管已经进行了大量的研究，SmithbergandLandis测量了空气和水湍流旋涡流的速度分布，发现轴向流动速度在管子横截面上的分布是不均匀的；同时验证了旋涡流是圆周流动和轴向流动叠加而成的；BaekshallandLandia¨9和Date【10]也对空气和水的湍流旋涡流的速度场分布进行了测量，得出了相同的结果；Aidun等口¨实验研究了短螺旋扭带在圆管中引发的流场，发现在扭带之后的管收稿日期：2014-11—25作者简介：孙斌(1972-)，男，吉林省吉林市人，东北电力大学能源与动力工程学院教授，博士研究生，主要研究方向：多相流理论及应用．第2期孙斌等：纳米流体

6、在内置扭带管的传热数值模拟中心附近，出现与扭带旋向相反的流动。目前对扭带换热管内流体湍流特性的研究还很不够，原因是由于管内不透光扭带的存在，即便是采用先进的激光测试技术也难直接全面地了解流体的流动行为_1’J。近年来，随着计算流体力学的发展，数值模拟研究方法已成为许多行业快捷而经济的研究手段。本文建立内置扭带三维流动物理模型，应用大型CFD软件FLUENT对内置扭带换热管进行数值模拟，将工质分别为蒸馏水，Cu-水纳米流体的传热特性进行分析。1物理及数学模型本文研究的内置扭转带模型参数如表1，扭带分别使用铜和铝进行对比，扭带厚度6为1mm；圆管直径10mm，管壁厚度1mm，管长1m，圆管为

7、紫铜管。图1为内置扭带管的物理模型。工质分别采用水及浓度为0．5％及0．8％的Cu一水纳米流体，人口温度293．14K，采用恒壁温加热方式，壁温为333．14K，人口速度及相对应的雷诺数由图1内置扭转带管物理模型公式(1)可求出。工质参数可由公式(3)一公式(7)求得，如表2所示。表1内置扭转带模型参数Re：。(1)由能量方程推导出沿程阻力系数计算式为f=2APd／lpu。(2)Xuan曾提出在液体中添加cu纳米粒子可以提高更多的热