强化传热管管内湍流运动的数值模拟和比较.pdf

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1、22一●论文广场石油和化工设备．2014年第17卷强化传热管管内湍流运动的数值模拟和比较陈武滨(广东省特种设备检测研究院东莞检测院，广东东莞523120)[摘要]通过fluent软件对横纹管、波节管、波纹管、缩放管这4种常用的传热管，进行了管内湍流运动的数值模拟，从微观上说明了4fo~,传热管的强化传热机理，并对其流动努塞尔系数Nu、压降△p及综合性能参数n进行了比较，说明在低Re下缩放管的综合性能最好，在高ReT横纹管的综合性能最好。[关键词]强化传热；Fluent；横纹管；波节管；波纹管；缩

2、放管无源强化技术是指除了输送传热介质的功1数值计算模型率消耗外不再需要附加动力的技术。通过改变管1．1几何模型内结构，增强对流体流动的扰动作用，破坏壁面分析模型分别为横纹管、波节管、缩放管和边界层来达到强化传热是无源强化传热的常用方波纹管，各种管长度均为1m，在入口和出口处均法。本文利用fluent软件研究4种工程上常用的强化留有80mm的直管段，具体尺寸如图1所示。传热管，它们都是通过机械加工形成有规则的凹凸结构，其传热效果与光管相比有明显的提高。(a)横纹管(b)波管(c)缩放管(d)波纹管

3、图l横纹管、波节管、缩放管、波纹管尺寸示意图1．2边界条件与模拟参数设定式格式求解，采用标准k～e湍流模型计算模拟管以横纹管为例，建立二维轴对称模型，选用内湍流时的传热和流动情况。压力与速度的耦合非结构性网格划分，网格数约为15万个。流体为计算采用SIMPLE方法，动量、能量以及湍流参量水，温度为291K，采用速度入口和自由出口的边的求解采用二阶迎风格式。定义收敛条件除能量界条件。管壁温度设为恒定值t=370K，管壁u=v计算残差绝对值小于l×10外，其余均为l×104。=0。忽略重力影响和壁面

4、厚度，壁面材料为铜，其导热系数387．6W／(m·K1。作者简介：陈武滨(1987一)，男，广东人，硕士，在广东省特种利用有限体积法离散方程，非耦合的稳态隐设备第8期陈武滨强化传热管管内湍流运动的数值模拟和比较一23—2数据处理作出横纹管实验值、公式值、模拟值的比较图如下：2．1壁面传热系数h对恒壁温的情形，截面上的局部温差在整个换热面积上是不断变化的。计算壁面传热系数时，应利用文献⋯所述的热平衡式：hj、，=(’f，～，，)(1)式中：q一流体的质量流量，kg／s；A一管子的3Z表面积，ITI

5、；Cp一流体的比热容，J／(kg·。C)；△t一按对数平均温差计算，t”，、t'f分别为出口、进口截面上的平均温度。2．2努塞尔系数Nu200003000040000500006OO00Nzf=kD?互Re式中：入一管内流体的导热系数，W／(m·K)；图2横纹管Re与Nu实验值、公式值、模拟值对照图D。管子的当量直径，m。本文中所有管子的当量直径都近似取16mm。从图2中可以看出三者的增长趋势一致，但存2．3管内阻力系数f在一定的偏差。实验中流体的物性是随时间不断f：—2A·pD啪删枷蓦i枷(3

6、1变化的，而模拟和经验公式采用的都是不变化的，二7物性参量，而实验中存在的误差以及热量损失都式中：△p一管子进出口水的压力差，Pa；l一会导致偏差的出现。相同Re下经验公式计算值稍管子的长度，m；Urn一流体的平均速度，m／s。微偏大，模拟值与实验值则差别较小。模拟值与实验值最大误差为6．48％，模拟结果满足一定的工3结果分析程精度，可认为该模拟采用的数学模型及计算方本文横纹管的尺寸设计参照文献中的设计，法是可信的。以便将模拟结果与文献中的实验结果比较。利用文献[3中计算横纹管管程传热系数的经验

7、公式，3．1管内流动规律(a)横纹镑(b)波纹管(c)缩放簧(d)波节管图3横纹管、波纹管、缩放管、波节管lm／s时速度等值线24一一论文广场石20油14和年化第工设备．17卷从图3可以看出，4种传热管的速度等值线在降低，波谷处速度增加，使流速总处于规律性的远离壁面处比较疏，越靠近壁面，等值线越密，扰动状态，这样产生的漩涡不断冲刷着边界层，速度波动越来越大，主要是受壁面结构的影响越破坏了边界层的形成。流体流经缩放管，流速和来越大，特别是在管的凹凸槽附近，速度波动最压力处于规律性的扰动状态，在扩张

8、段中由于速大，说明因为凹凸槽的存在产生的扰流作用明度的变化产生漩涡，在经过收缩段时不断冲刷边显。界层，边界层就会变薄，从而达到了强化传热的流体经过横纹管的横向凹槽时，在壁面处效果。产生逆向涡流和射流作用，其产生增加了边界层4种传热管的强化传热机理，都是利用管内的扰动，促使边界层表面更加加剧。波节管的结有规律的凹凸结构增加近壁面区域流体的湍流强构与横纹管近似，区别在于横向槽的方向向外。度，增加对边界层的扰动，减少边界层厚度以减波节管侧重强化管外流体的传热，对管内的边界低热阻，从而达到比光管更好的强