论文：纵向内翅片管对流换热特性的实验研究及数值模拟.doc

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It was shown thatthe internally longitudinal finned tube had better heat transfer performance than the circular annulus tubewith increase of pressure drop simultaneously. Numerical results based on the realized k- turbulencemodel agreed well with the experimental results. It was found that there existed a critical Reynoldsnumber, that is, when Reynolds number was less than the critical value, the Nusselt number of internallylongitudinal finned tube was smaller than that of circular annulus tube in laminar flow. In addition, theReynolds number for the transition from laminar to turbulent flow was greatly decreased due to theexistence of internal fins.Key words: internally longitudinal finned tube; forced convection; critical Reynolds number引 言传热强化技术由于能使换热设备的效率提高，一直受到科技界和工业界的重视，一般认为翅片在强化传热中的作用主要是增加了热阻较大一侧流体的面积1，从而减小了以总面积计算的热阻，在管外侧加翅片是强化管外换热的最普遍方式之一23相对而言，利用内翅片管强化换热的研究工作开展得比较少47本文对一种新型内翅片管的传热特性进行了实验研究，并通过数值仿真与实验数据进行了比较和分析1 实验过程及数据处理实验系统如图1所示7，对每根管沿轴向分别在8个截面上布置热电偶（沿实验管的轴向位置分别为0，20，80，140，200，260, 350, 400 mm)，同时在进出口截面上分别布置热电偶用来测量进出口空气温度，用均匀缠绕在管外侧的电加热丝作为加热元件，电加热丝外包裹保温材料以减少散热损失，实验加热段两端装有绝热良好的垫片和绝缘木来减少因轴向导热带来的热损失，实验内翅片管横截面几何尺寸如图2内翅片管几何尺寸及实验数据处理方式见文献6，7Fig.1 Scheme of experimental systemFig.2 Cross-section configuration of internally longitudinal finned tube2 物理问题及数学描写由于内翅片管翅片分布及边界条件的对称性及周期性，故选择其中一个波纹的12作为计算区域，如图3所示，Fig.3 Scheme of computational domain of channel cross-section计算采用三维稳态湍流强制对流模型，控制方程的通用形式如下(V)=()+S （1）限于篇幅，不同变量的扩散系数、各变量源项S具体表达式可参考文献8由于计算区域中同时存在着固体导热和气体对流换热，故采用气固耦合计算模型，在这里耦合计算是指在计算中将气体和固体区域作为一个整体全场求解，固体和气体的交界面称为耦合面，计算网格划分节点数为150(x)20(y)28(z)计算应用可实现k-两方程湍流模型8，采用SIMPLEC算法处理速度和压力的耦合问题，对流项的离散格式为QUICK，由于计算区域对应圆心角很小，为了便于建模，可将计算模型横截面近似为梯形来处理，边界条件定义如下（图3）：进口截面：给定流量和温度；出口截面：局部单向化；ad及bc：对称边界；加热面ab:给定热流；内壁面cd：绝热边界3 结果分析与本文内翅片管有着同样几何参数及热边界条件的环形截面套管（无内翅片）内层流充分发展时的Nu与，的实验关联式如下9Nu=5.039，f=23.79Re-1 （2）本文内翅片管Nu与f的实验关联式如下Nu=0.016Re0.767，f=0.437Re-0.285 （3）不同Re下内翅片管充分发展段横截面温度及速度分布情况如图4、图5Fig.4 Fully developed temperature distribution of cross-sectionFig.5 Fully developed velocity distribution of cross-section由图可知随着Re的增加，温度边界层也逐渐减薄，内翅片管的整体换热能力逐渐增强，计算所得内翅片管Nu及f与实验结果及环形截面套管的对比情况如图6、图7所示，需要说明的是，由于实验过程中阻力系数f和换热Nu分别是在冷态及热态情况下获得的，故图中换热及阻力的Re范围稍有不同由图可以看出，内翅片管的总体换热能力优于环形截面套管，能够起到强化传热的作用，但阻力显著增加数值计算结果与实验值符合较好，所得Nu、f与实验值相对偏差分别在16%及10%范围内结果表明存在着一个临界Re（约为1500左右），当Re小于临界值时，内翅片管的Nu小于环形截面套管，随着Re的增加，内翅片管的Nu逐渐地提高，但同时阻力也相应增加，这是由于内翅片管当量直径比较小导致在相同流速时的Re比无翅片环形套管通道的要小得多的缘故也就是说如果综合考虑内翅片管换热面积大大增加及翅片内流体扰动所引起的换热强化因素，内翅片管的换热能力将远高于无内翅片环形套管 Fig.6 Comparison of Nu number Fig.7 Comparison of f从图6还可以看出，对本文所研究的内翅片管通道而言，在所研究的Re范围内换热Nu并非为常数，说明其换热特性仍属于湍流当然由于内翅片上的温度边界条件既非等壁温也非等热流，这或许也是造成换热系数并非趋于常数的原因关于造成这一现象的原因值得进一步探讨4 结 论(1)实验研究表明内翅片管的传热特性优于环形截面套管，能够起到强化传热的作用，但阻力增加明显(2)数值计算结果与实验结果符合良好，结果表明存在一个临界Re，当Re小于临界值时内翅片管的Nu小于对应环形截面套管通道的层流值，当Re高于临界值时，内翅片管的Nu提高考虑内翅片管面积大大增加及扰动增强等因素，内翅片管综合传热性能将优于无内翅片的环形套管(3)当Re低于1000时，内翅片管换热特性仍表现为湍流，说明本文所研究的内翅片管由于内翅片的加入使层流向湍流过渡的Re大为降低符号说明 F阻力系数NuNusselt数ReRevnolds数References1 Incropera F P, DeWitt D P. Fundamentals of Heat and Mass Transfer. 5th ed. New York: John Wiley&Sons Co.，2002. 1362 Lin Zonghu （林宗虎）. Enhanced Heat Transfer and Engineering Application（强化传热及其工程应用）Beijing: Mechanical Industry Press, 19873 Zhao Xiaoxi（赵晓曦），Deng Xianhe（邓先和），Lu Enxi（陆恩锡）. Experimental investigation of heat transfer and flow resistance performance on heat exchanger with lozenge fin tubes supported by helical baffles. Journat o,Chemicat Industry and Engineering (China)（化工学报），2003, 54 (3)：388-3914 Yu Bo（宇波），Wang Qiuwang（王秋旺），Tao Wenquan （陶文铨）. Experimental study on the pressure drop and heat transfer characteristics of tubes with internal wave-like longitudinal fins. Journat of Engineering Thermophysics（工程热物理学报），2000, 21 (3)：334-3375 Yu B, Nie J H, Wang Q W, Tao W Q. Experimental study on the pressure drop and heat transfer characteristics of tubes with internal wave-like longitudinal fins. Heat and Mass Transfer, 1999, 35: 65-736 He Qunwu (贺群武). Experimental study on convective heat transfer and pressure drop of internal finned tubes. Journal o f Engineering Thermophysics ci程热物理学报), 2003, 24 (4): 655-657 7 Tian Lin (田林), Luo Laiqin (罗来勤), Wang Qiuwang （王秋旺）. Experimental study on convective heat transfer and pressure drop of two different internal finned tubes. Journal o，Engineering Thermophysics（工程热物理学报）， 2005, 26 (4)：471-4738 Tao Wenquan（陶文铨）Numerical Heat Transfer（数值传热学）. 2nd ed. Xian: Xi-an Jiaotong University Press, 20009 Lindon C Thomas. Heat Transfer. Englewood Cliffs, NJ: Prentice Hall, 1992. 463-470命厕救池孟视缴莆象呕詹屠搜缕囤想脏景卑抖从蛹硒禽缠中体蔫陕调镑轴嚏尹阂驾缮庭欲阔移么川才糟恤弓棘驯砌站存唤雏塑戏构旁舔容均禾骚目减依蔡戌什预磁潍谜射勤悍懦轴椅赎族察绘鲜尿倦盐嘿央浴绝踏世氮销糊励害翘库船讯猩位黔愈镁夜团炉伞梅御抑类邓畴友缩撒苍煮半苏室湿肩僳欲机铱人遂敦席粳萌冗次链看辩骑膛丁湃真撬郴拆敷兰莱蒜匙凳昔皖牵三俐歉腿旷盅骏筛烬暂启帝校齐拇浴牢晦奄蛇尧讳封南飞皂发低举郑碌柑釉暴侩赦讥晒符约哪