横纹槽管管外强化传热数值模拟与场协同分析.pdf

第3 7 卷第5 期化工机械 6 0 9 横纹槽管管外强化传热数值模拟与场协同分析 陈志静+ ( 广东石油化工学院) 摘要利用F L U E N T 软件对横纹槽管和光管水平管外的对流传热进行了数值模拟，并比较两种管的 换热特性。结果表明，在相同条件下，横纹槽管外侧换热系数是光管的1 2 一1 5 倍，且随着m 的增加。 倍数值逐渐减小。最后应用场协同理论，从局部换热角度分析其强化机理。分析结果说明横纹槽管外 侧换熟得到强化的原因是协同程度随其周围的速度场与温度场之间夹角的变化而改变。 关键词 横纹槽管数值模拟强化换热 场协同 中图分类号T Q 0 5 1 5 文献标识码A 文章编号0 2 5 4 6 0 9 4 ( 2 0 1 0 ) 0 5 一0 6 0 9 一0 4 近几年来，随着世界经济的快速发展，能源紧 张的问题也越来越突出，如何采取更有效的节能 措施、设计更先进的换热设备已成为国内外众多 学者研究的难题。 横纹槽管是上世纪7 0 年代中期出现的一种 高效换热元件，因其在传热性能上明显优于光 管，且具有结构紧凑和加工制作方便等优点，在 动力、能源、化工及核反应堆等场合中的蒸汽发 生器和换热设备中得到了广泛应用。随着计算 机、计算流体力学( c F D ) 和计算传热学的迅速 发展，数值模拟已经成为研究流体流动和传热的 重要方法。 文献 1 ，2 对横纹槽管进行了比较深入的研 究，但都从比较传统的换热原理角度去分析横纹 槽管换热特性。笔者应用F L U E N T 软件对横纹槽 管外的换热特性进行模拟，得出换热系数，并从场 协同原理的角度分析其强化换热机理。 1 模拟计算过程 1 1 模型结构 横纹槽管结构如图1 所示，其管外径为 1 6 m m ，槽宽为2 m m ，相邻槽间的距离为1 0 m m 。 笔者研究的是横纹槽管管外流体流动和传热问 题，其计算区域为环形空间。由于结构具有轴对 称性，流动区域可以采用二维建模( 图2 ) 代替三 维建模，以减少计算量。 “ 。9 。 ) ( 9 1 0 一 图1横纹槽管结构示意图 毫 j 美燮乙 温边界条件 l 厂、- 、厂一 图2 二维模型及边界条件设置 1 2 网格划分及边界条件 采用结构化网格对所建立的几何模型计算区 域进行离散，考虑边界层对传热和流动的影响，将 壁面附近网格加密。利用有限体积法离散方程， 非耦合的稳态隐式格式求解。采用标准J 占湍流 模型计算模拟横纹槽管管外湍流时的流动和传热 情况。压力与速度的耦合计算采用s I M P L E 方 法，对流项采用二阶迎风格式，定义收敛的条 件为残差绝对值小于1 l O 一。 边界条件的设置如图2 所示，入口为v e l o c i t y 陈志静，男，1 9 8 4 年1 月生，助教。广东省茂名市，5 2 5 咖。 万方数据 6 1 0化工机械2 0 1 0 年 i n l e t ，出口为o u t f l o w ，内壁面温度恒定，外壁面设 为绝热。为了和光管传热的效果进行对比，模拟 光管时其模型和边界条件和横纹槽管一致。 2 模拟结果与分析 2 。1速度场和温度场的模拟 笔者在相同的条件下对横纹槽管和光管进行了 多组数值模拟计算，以空气为介质。当人口速度为 3 5 n s 时，横纹槽管和光管的温度和速度分布如图 3 、4 所示。由图5 可以看出，横纹槽管的出口温度比 光管高，由传热学可知，其换热效果比光管的好。 图3温度分布云图 图4 速度分布云图 图5出口温度分布 2 2 传热膜系数模拟结果 分别对不同流速下的横纹槽管和光管进行数 值模拟计算，得到了传热系数和雷诺数的关系曲 线图，如图6 所示”1 。从图6 中可知，光管的模拟 值与理论计算值的最大误差不超过1 0 。对比 横纹槽管与光管的传热膜系数，可得横纹槽管的 传热膜系数提高了1 2 1 5 倍。 k ； 旨 苣 毒 垛 餐 鬃 啦 图6 横纹槽管与光管传热膜系数比较 根据横纹槽管的结构分析换热特性可知，流 体经过横纹槽管的凹槽时，管壁上形成轴向漩涡， 增加了流体边界层的扰动，促使边界层表面更新 加剧，有利于使热量通过边界层进行传递。当涡 流将要消失时，流体又经过下一个圆形凹槽，所以 能保持不断地生成轴向漩涡，这就保证了连续稳 定的强化换热作用。 3 场协同原理分析 3 1 场协同原理 文献 5 中提出的场协同原理，以二维层流 边界层为例，其能量方程为： 衅( M 誓+ 移舅) = 专( A 舅) c ， p 。，【M 瓦枷万J _ 万IA 丽J ( 1 对上述方程积分并无量纲化得： u = R e P r f ：( u V r ) d y ( 2 ) 可V 于= l 口I | V 7 lc o 昭 ( 3 ) 式中口热流矢量和速度矢量的夹角。 从式( 2 ) 、( 3 ) 可以看出，速度和温度梯度的 夹角口在控制对流换热的强度时起着很重要的作 用。当它们的夹角卢小于9 0 0 时，口越小则对流换 热系数越大，当口= 0 0 时，可以达到最大值。 3 2 局部传热膜系数沿程变化 通过模拟，得出局部沿程传热膜系数的变化 规律如图7 所示。从图7 可以看出，光管的传热 膜系数沿程变化很小，基本趋于水平。横纹槽管 的传热膜系数在前面一小段基本与光管重合，在 流体处于凹槽的开始段时，传热膜系数有一个小 的峰值，之后随着凹槽的加深，传热膜系数急剧减 万方数据 第3 7 卷第5 期化工机械 6 1 l 小，当凹槽的深度逐渐变浅时，传热膜系数逐渐增 加，在凹槽的结束处，传热膜系数达到一个峰值， 该点的传热膜系数最大。 警长z m m 一流动区域 一厂 图7 横纹槽管局部传热膜系数沿程变化规律 3 。3 速度场和温度场协同分析 从图8 可以看出，光管流体速度平行于壁面， 等温线与壁面接近平行，因此速度矢量与温度梯 度矢量的夹角接近但小于9 0 0 ，速度场与温度场 的协同程度不是很好，其温度场和速度场在整个 流动过程中变化不大，所以其换热系数几乎不变。 由图9 可知，在凹槽的开始端，流体的温度梯 度与速度矢量的夹角相对于光管的要小，因此在 该位置，传热膜系数有一个比较小的增大，出现第 1 个峰值。此后边界层发生分离，流体产生回流， 壁面附近的流体的流速非常小，速度与温度梯度 的夹角又接近9 0 。，并且等温线比较稀疏，温度梯 度的大小比较小。因此传热膜系数迅速下降。此 后，等温线逐渐密集，传热膜系数也慢慢回升。在 凹槽结束的位置，等温线最密集，温度梯度最大， 速度场与温度梯度场的夹角也最小，并且在该处 的速度值也是最大的，因此在凹槽的结束处传热 膜系数出现第2 个峰值，且其值最大。 一j = 二- ：# - 一；= 图8光管速度场与温度场的分布 图9 横纹槽管速度场与温度场的分布 从上述分析可知，局部传热膜系数的变化跟 速度场和温度场的分布有密切的关系。横纹槽管 凹槽的前后其局部传热膜系数比较大，是由于在 这些区域其速度场和温度梯度场之间协同程度最 好，这也是横纹槽管管外强化传热的另一种解释。 4 结束语 笔者使用计算流体力学软件F L u E N T 分析计 算了横纹槽管和光管在相同条件下的流动换热情 况，结果表明横纹管强化换热效果明显，其传热膜 系数较之光管提高了1 2 一1 5 倍。流体经过横 纹管圆环形的凹槽时，管壁上形成轴向漩涡，增加 了流体边界层的扰动，促使边界层表面更新加剧， 有利于热量通过边界层进行传递，当涡流将要消 失时，流体又经过下一个圆形凹槽，所以能保持不 断地生成轴向漩涡，这就保证了连续稳定的强化 传热膜作用。应用场协同理论，从局部传热膜系 数分析其强化机理，发现横纹槽管外侧传热得到 强化的原因是其凹槽周围的速度场与温度场之间 夹角越小协同程度越好。 参考文献 l 简弃非，肖恺基于F L u E N T 软件的强化传热管特性 三维数值模拟研究低温与特气，2 0 0 6 ，2 4 ( 6 ) ：6 一l O 2 黄维军，邓先和，黄德斌横纹槽管结构优化的正交数 值模拟试验研究化工学报，2 0 0 5 ，5 6 ( 8 ) ：1 4 4 5 一1 4 5 0 3P a t a n k a rSV N u m e r i c a lH e a tT r a n s f e ra n dF l u i dF l o w N e wY o r k ：H e m i s p h e r eP u b l i s h i n gC o r p o r a t i o n ，1 9 7 9 4 姚玉英化工原理天津：天津大学出版社，1 9 9 9 5过增元对流换热的物理机制及控制科学通报，2 0 0 l ， 4 5 ( 1 9 ) ：2 1 1 8 2 1 2 2 ( 收稿日期：2 0 0 9 一l l 一2 5 ) 万方数据 6 1 2 化工机械2 0 1 0 年 N u m e r i C a IS i m u l a t i o na n dF j e I dS y n e r g yA n a l y s i sO ft h eR e i n f O r c e d H e a t 丁r a n s f e rO u t s i d eT r a n s v e r S e I y R i d g e dT u b e S C H E NZ h i j i n g ( G l 口增d 0 增n u t eo ，尸e 抛c e m 面口z 加锄，肘口o m i 增，5 2 5 0 0 0 ，G 增d 0 增，c i 加) A b S t r a C tAn u m e r i c a ls i m u l a t i o nw a sc o n d u c t e do ft h ec o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e ro u t s i d et h et r a n s v e r s e l y r i d g e t u b e sa n dt h eh o r i z o n t a lt u b e so fs m o o t ht u b e su s i n gF l u e n ts o f t w a r e ，a n dt h eh e a tt r a n s f b rc h a r a c t e s t i c so ft h e t w ok i n d so ft u b e sw e r ec o m p a r e d T h er e s u l ts h o w st h a tt h eh e a tt r a n s f e rc o e m c i e n to ft h ee x t e m a ls i d eo ft h e t r a n s V e r s e l y r i d g et u b e sw a s1 2 一1 5t i m e st h a t o ft h es m o o t ht u b e s ， t h em u l t i p l ev a l u ew a sg r a d u a l l yr e d u c e dw i t ht h ei n c r e a s eo fR e y n o l d sn u m b e r T h er e i n f o r c e dh e a tt r a n s f e rm e c h a n i s mw a sa n a l v z e da tt h el o c a l p o i n to fV i e wu s i n gf i e l ds y n e r g ) ，t h e o r y T h ea n a l y s i sr e s u l ts h o w st h a tt h ec a u s eo ft h eh e a tt r a n s f e rr e i n f o r c e m e n ta tt h ee x t e m a ls i d eo ft h et r a n s V e r s e l y r i d g et u b e 8w a st h a tt h e6 e l ds y n e r g yl e v e lv a r i e dw i t ht h ec h a n g e “出ej n e r s e c i o na n g kb e f w e e n 僧j o c j y 矗e l da n d e m p e r a c u r e 矗e 2 ds u n o u n d i n gt h ef i e l ds y n e r g y K e y w o r d ST 姐n s V e r s e l y R i d g eT u b e ，N u m e r i c a lS i m u l a t i o n ，R e i n f o r c e dH e a tT r a n s f e r ，F i e l dS y n e r g y ( C o n t i n u e df r o mP a g e5 5 1 ) H U A N GX i a o p e n 9 1 ，W A NF a n g x i n l ，H EC h u n x i a 2 ( 1 缸船“A g 廊n 如w o ZU 厅沁r s 蚵，如砌，o “，7 3 0 0 7 0 ，c m u ，C l I l i ，l 口； 。彬喈A g r 如I f f u m fU n 觇r 5 蚵，盹彬增，2 1 0 0 3 l ，i 口n 伊“，C 鼬I 口) A b S t r a C tT h eP T F Ec o m p o s i t e 矗l l e dw i t hn a n o m e t e ra n dn a n o m e t e rc a r b o nb l a c kw a sm a d eu s i n