扭曲管管内强化传热模拟分析.pdf

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1、静设备石P油化工设备技术，2010，31(6)·19·etro—ChemicalEquipmentTechnology扭曲管管内强化传热模拟分析刘庆亮，杨蕾，朱冬生(1．华南理工大学化学与化工学院传热强化与过程节能教育部重点实验室，广东广州5106402．华东理工大学机械与动力学院，上海200237)摘要：为了研究扭曲管管内强化传热表现，通过建立不同结构形式的扭曲管和椭圆管物理模型，利用数值模拟的方法对扭曲管及相应的椭圆管传热传质表现进行了对比分析。研究了扭曲管和椭圆管管内流体N、△P和r／在Re为200～20000范围内的变化情况，并分析了结构形式对

2、扭曲管传热表现的影响。结果显示扭曲管可以很好地加剧管内流体湍流、强化管内传热，特别适用于管内流体在低Re数范围内的传热。扭曲比对扭曲管传热有重要影响，当扭曲比S／d，在15到25的时候，其传热表现最好。关键词：换热器；扭曲管；椭圆管；数值模拟；强化传热换热器广泛应用于能源、动力、化工、冶金、机纵向周期性地发生变化，使壳程流体在沿螺旋扭械、交通、航空与航天等领域口]。但传统换热器普曲的换热管外壁纵向流动的同时，产生复杂的以遍存在传热效率低、易结垢等一系列不足]。目旋转和周期性的物流分离与混合为主要特点的强前，各种管程强化传热技术被越来越多地应用于扰动，从

3、而较大程度地强化了壳侧传热过程j。新型换热器的开发设计中。扭曲管换热器是适应扭曲管特殊的结构，也使得管内流体旋转流动，产现代化生产的需要，在传统管壳式换热器的基础生垂直于主流方向的二次流，增加了流体的湍流，上开发出来的一种新型高效换热器，它继承了传削弱了边界层，强化了管内流体传热。统管壳式换热器的优点，又克服了其不足之处_3]。近些年来，扭曲管换热器的开发与研究已经成为人们非常关注的课题。一母镑帚1扭曲管结构分析扭曲管是由普通圆管压扁扭曲而成，截面为椭圆形，可根据实际需要压制成具有不同压扁程国誊舔度和不同扭程的换热管，为了便于管子与管板连接，扭曲管两端

4、保持为圆形l_4]。图1所示为扭曲图2扭曲管换热器管束结构_，J≮恿管外形及截面图。本文对扭曲管管内强化传热和流动情况进行了数值模拟研究，研究了管内雷诺数从200变化到2O000时，不同结构形式扭曲管管内的传热和流动情况，并与相同截面的椭圆管进行了对比。2模型建立及初始条件(a)扭曲管外形(b)扭曲管截面2．1几何物理模型图1扭曲管为了便于与实验研究对比，本文根据实验用在扭曲管换热器的管束中不设折流板，通过收稿日期：20100428。换热管外缘保持螺旋线紧密接触，起到相互支撑作者简介：刘庆亮(1984)，男，河南林州人，2008年郑州大作用并在换热管问

5、形成螺旋形流道_5]，图2所示学制药工程本科毕业，现为华南理工大学化学与化工学院在为扭曲管换热器的管束结构图。壳程流体在流道校硕士研究生，主要研究强化传热管和节能新技术。中主要作纵向流动，壳程流体通道横截面沿管束Emaii：liuqingliang—lql@163．com石油化工设备技术管建立了以下7种换热管单管模型，具体尺寸如一a(丁一7)表1所示。当管内流体处于湍流状态时，再加上湍流模利用建模软件GAMBIT建立换热管模型，型方程，本文采用的是标准e湍流模型⋯】。由于壁厚对于本研究结果没有影响，所以在建立2．3计算模型与边界条件模型的时候将壁厚设置

6、为0_7]。采用cooper方法将划分好网格的模型导人FLUENT软件进行模型的网格划分，考虑到边界层的影响，在划中，并做以下定义：分网格的时候，对壁面附近的网格进行加密j。(1)流体为不可压缩牛顿流体；图3所示为本文建立的扭曲管物理模型图，(2)流体物理性质保持稳定；自上而下分别对应表l中的l号管到7号管。(3)忽略重力因素。表1换热管模型尺寸检查网格和平滑网格后，进行求解设置，本文采用稳态隐式格式求解并打开能量方程，根据入A。一24，B。l4．S一230口流速条件选用标准￡湍流模型和Simple压A。一27，B。09．S一230力一速度耦合算法，对

7、流项采用二阶迎风差分格A。一27，B。09．S一300式。管内流体介质为水，物性参数为等效温度下A。一27，B。09．S一400A。一27，B。09，S一500的常量。入口定义为速度人口边界，并给定入口A。一27，B。O9，椭圆管速度及相应的温度条件，湍流定义为强度与水力A。一24，B。l4，椭圆管直径；出口为压力出口边界，并给定静压以及合适的回流条件，壁面定义为恒定壁面温度边界。初始条件定义为人口速度0．01m／s，温度300K，壁面温度恒定为373．15K[123。3模拟结果与分析3．1温度场与速度场分析通过模拟换热管在不同工况下的传热传质情况，得

8、到以下结果。图4和图5所示为相同人口流速下不同尺寸的椭圆管和扭曲管在出口截面上的温度场和速度场