（化工过程机械专业论文）圆弧切线波纹换热管传热强化性能和轴向刚度研究.pdf

摘要 圆弧切线波纹换热管传热强化性能和轴向刚度研究 摘要 能源危机的日益严重，使得节能降耗越来越受到重视。波纹换热 管是一种异形双面强化传热管，因其传热效率高，轴向变形补偿性能 好，在工程上的应用越来越广泛。作者和导师一起根据以前的研究成 果在圆弧型波纹管的基础上提出了一种新型的圆弧切线波纹换热管， 并已经申请国家专利。本文对这种波纹换热管的传热强化性能和轴向 变形刚度进行研究，并且与其它结构形式的波纹换热管进行比较。 本论文首先从数值模拟方面把圆弧切线波纹换热管与圆弧型波纹 管、缩放管、正弦管以及普通直管在传热强化性能以及流动阻力性能 方面进行对比，发现圆弧切线波纹换热管有比较明显的优点；通过研 究圆弧切线波纹换热管的结构参数对其传热与阻力性能的影响，本论 文根据正交试验设计和多变量线性拟合得出了管内强制对流时的传热 准则方程及摩擦系数关联式。 其次，本论文还通过有限元数值模拟，对该换热管的轴向刚度进 行了研究，并考虑相关结构参数的影响，得出了刚度削弱系数的拟合 关联式；根据刚度削弱系数关联式，本论文以g b l 5 1 1 9 9 9 管壳式换 热器为基础，利用s u a lb a s i c n e t 软件开发了适合于波纹管换热 器的管板计算程序，以方便波纹管换热器的工程设计和应用。 关键词：波纹换热管，传热强化，数值模拟，轴向刚度，程序开发 s t u d yo fh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n ta n d a x i a ls t i f f n e s so fa r c t a n g e n tc o r r u g a t e d t u b e s a b s t r a c t i nt h el i 曲to fw o r l de n e 理r yc r i s i s ，m o r ea n dm o r ea t t e n t i o nh a sb e e n p u to nt h ee n e r g y s a v i n gt e c h n 0 1 0 9 i e s a sh a v i n gh i 曲e rh e a t t r a n s 衙 c o e m c i e n t s ，c o 删g a t e dt l j b e sa r em o r e a n dm o r ew i d e l yu s e di ni n d u s t r i e s b a s e do no u rp r e v i o u sr e s e a r c h ，an e w 够p eo ft h ec o r r u g a t e dt u b e c a l l e d a r c t a n g e n tc o r m g a t e dt u b ew a sp u tf i o 刑a r da n dp a t e n t e db yt h e a u t h o r s t h i st h e s i si sa i m e dt os t u d yt h eh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t b e h a v i o ra n da x i a ld e f o 姗a t i o ns t i 日、n e s so ft h ea r c t a n g e mc o m l g a t e dt u b e w i t hc o m p a r i s o nt oo t h e rs t m c t u r a lc o m 】g a t e dt u b e so rs t r a i 曲tt u b e n u m e r i c a ls i m u l a t i o nw a sp e r f o n n e do nt h ef l u i dn o wa n dh e a t t r a n s f e ri n s i d et h ea r c t a n g e n tc o m j g a t e dt u b e t h ea r c t a n g e n tc o r r u g a t e d t u b ew a sc o m p a r e dt ot h r e ed if f e r e n tc o m j g a t e dt u b e sa n das m o o t ht u b ei n t e r m so fc o n v e c t i o nf i l mc o e f h c i e n ta n dp r e s s u r ed r o p r e s u l t ss h o wt h a t t h ea r c t a n g e n tc o r m g a t e dt u b eh a so b v i o u sa d v a n t a g e so v e rt h eo t h e r s w i t hc o n s i d e r i n gt h ei n n u e n c e so fs t r u c t u r a lp a r a m e t e r so nh e a tt r a n s f e r 鲫df l o wr e s i s t a n c e ，t w o6 t t e df o m l u l a sf o rc a l c u l a t i n gn u s s e hn u m b e r a n df a n n i n g 衔c t i o nc o e f ! e i c i e n t sr e s p e c t i v e l ya r eg i v e nf o re n g i n e e r i n gu s e 北京化工大学硕士学位论文 i na d d i t i o n ，t h ea x i a ls t i f | f ! h e s so ft 1 1 ea r c t a j l g e n tc o m l g a t e dt u b e sw a s n u m e r i c a l l ys t u d i e da n das o - c a l l e ds t i f m e s sw e a l ( e n i n gf a c t o rw a s d e 6 n e d u s i n gt h e s t i f m e s sw e a k e n i n gf a c t o ra 1 1 db a s e do nt h eg bl51 19 9 9 死6 “肠r 月如f 局c c 办口移舻瑙，ap r o g r a n m ef o rt u b e s h e e ts t r e n g t hc h e c kw a s d e v e l o p e dw i t h n e ts o 胁a r ew 1 1 i c hm a yf a c i l i t a t em ed e s i g no ft h e c o r r u g a t e ds h e l l - a n d - t u b eh e a te x c h a n g e r s k e yw o r d s ：c o r m g a t e dt u b e ， h e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ， a x i a ls t i 硒e s s ， p r o g r a md e v e l o p m e n t l v 符号说明 符号说明 直管换热管横截面金属面积，i n 2 ； 多项式系数 七一湍流模型常数； 雷诺应力模型常数； 雷诺应力输运方程中的对流项； 流体的定压比热，k j - k 分1 ； 雷诺应力输运方程中的湍动扩散项； 雷诺应力输运方程中的分子粘性扩散项； 波纹管波谷直径或小径，m ； 波纹管波峰直径或大径，m ； 换热管当量直径，m ； 换热管材料的杨氏模量，p a ； 单位质量流体的内能，j ； 轴向拉伸载荷，n ； 混合函数； 单位质量流体的质量力，n ； 雷诺应力输运方程中的系统旋转产生项； 雷诺应力输运方程中的浮力产生项； 重力加速度矢量； 换热管内平均对流传热系数，w m 之； 换热器总传热系数，w ，m 之； 直管轴向刚度，n m ； 圆弧切线波纹管轴向刚度，n m ； 波纹换热管刚度削弱系数； 湍流动能； 波距影响系数 换热管管长，m ； 混合长度； 拟合指数； 努塞尔数； 运动流体中的平均压力，p a ； ，7 ，2 c 2 扩 ， f 疗 p s 矿 7 l ， 、 ， 0 彳g q c q 。勺d b卉如以e g f n f凡嘞gk厨眨母后鬈三k胁 p 北京化工大学硕士学位论文 p p p k p u p r g g w q 船 r l ，飓 s l 甜f 甜+ v w v v v ， v _ ， v f j ，+ q - 】 f p p 盯t 仃e v u ( r 】 p ，】 湍流场中的脉动压力，p a ； 湍流场中的时均压力，p a ； 湍流剪切生成项； 雷诺应力输运方程中的剪应力产生项； 普朗特数； 单位时间内传给单位质量流体的热量，j ； 固体壁面上通过单位面积传递给流体的热量，j ； 换热器传热速率，w ； 雷诺数； 圆弧切线波纹换热管波峰、波谷圆弧半径，m ； 波纹管波距，m ； 固体壁面温度，k ； 壁面摩擦速度，m - s - 1 ； 无量纲速度； 直角坐标系下三个方向的速度分量，m s ； 流体速度矢量； 湍流场中的时均速度矢量； 湍流场中的脉动速度矢量； 固体壁面上流体的法向速度，m s ； 固体壁面上流体的切向速度，m s 一； 距壁面的无量纲距离； 湍流耗散率； 。 雷诺应力输运方程中的粘性耗散项； 流体变形速率张量； 流体的动力粘度，p a s ； 湍动粘度，p a t s ； 第二粘性系数或体积粘性系数； 流体的密度，埏m 一： 七方程的湍流模型常数； 七一占湍流模型常数； 流体的运动粘度，m 2 s 一； 湍流涡粘性系数； 运动流体中某一点的应力张量： 雷诺应力张量； 符号说明 f w 西 6 q r & 。 壁面切应力，p a ； 雷诺应力输运方程中的压力应变项； 耗散函数； k r o n e c h e rd e l t a 符号； k a n i l a j l 常数； 拉普拉斯算子； 对数平均温差，k 北京化工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 作者签名：二包阻 日期：二垒旦生二址 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的规 定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京化工大 学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可 以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用本授 权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名：盘丢垒日期2 竺芝：查：星2 导师签名： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题来源及研究的目的和意义 本课题来源于北京化工大学c a e 中心自选课题。目的在于研制先进的新型高 效波纹换热管，为波纹管换热器的发展提供技术储备。 换热器作为一种传热设备，被广泛地应用于炼油、化工、轻工、制药及城市 的集中供暖等领域，是工业生产中不可缺少的设备。近年来，随着世界能源的同 益短缺，世界各国都十分重视能源的高效利用。许多研究学者开始致力于传热强 化和热能回收利用的研究和开发工作，换热器的强化传热研究便也成为该领域研 究的重点。 波纹管换热器是一种新型强化管壳式换热器，其以波纹换热管取代普通直管 作为主要换热元件。波纹管换热器有传热性能好，防垢能力强，具有自我补偿能 力等优点，因此在工业生产中有广泛的实用价值。由于波纹管换热器问世时间不 长，因此各方面的研究还不够充分，在一定程度上限制了波纹管换热器的工业应 用。本课题研究的目的之一即是针对作者提出的一种新型波纹换热管( 称为圆弧 切线波纹换热管，已申请国家专利) ，主要从数值模拟方面，分析比较圆弧切线波 纹换热管与圆弧型波纹管、缩放管、正弦管以及普通直管之间在传热强化性能以 及强度性能方面的差别，并深入研究圆弧切线波纹换热管的管内流动与传热性能 和轴向刚度性能。 此外，关于波纹管换热器的工业设计，目前尚无独立的设计标准，仅有适用 于奥氏体不锈钢波纹管换热器的g b l 5 1 19 9 9 管壳式换热器标准案例c c 0 0 3 1 奥氏体不锈钢波纹管换热器设计( 这里所指的波纹管实际是波节管，见本文 1 2 2 3 节) ，且适用时限为2 0 0 4 年3 月1 0 日至2 0 0 9 年3 月1 0 日。对于其它情况， 一直使用普通管壳式换热器的设计标准g b l 5 1 1 9 9 9 管壳式换热器。由于波纹 管与普通直管在轴向变形补偿方面的差异，因此，使用基于普通直管的管壳式换 热器设计标准来设计波纹管换热器，必定会存在一定的缺陷。因此，本课题研究 的目的之二即是通过对波纹换热管的轴向刚度的数值模拟结果拟合计算式，以 g b l5 l 1 9 9 9 管壳式换热器为基础，利用v i s u a lb a s i c n e t 软件进行适合于波 纹管换热器的管板计算软件的开发，从而为波纹管换热器工业应用提供便捷途径。 北京化工大学硕士学位论文 1 2 管壳式换热器强化传热概述 换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。换热器 的应用十分广泛，在石油、化工、动力、轻工、机械、冶金、交通、制药、核工 业等工程领域中是必不可少的单元设备。它的主要功能是保证工艺过程对介质所 要求的特定温度，同时也是提高能源利用率的主要设备之一。据统计，在现代石 油化工企业中，换热器投资约占装置建设总投资的3 0 4 0 ；在热电厂中，如果 将锅炉也作为换热设备，则换热器的投资约占整个电厂投资的7 0 左右【l 】。由此可 见，换热器在工业中的地位。 自2 0 世纪7 0 年代初中东石油危机爆发以来，以能源为中心的环境、生态和 社会经济问题日益加剧，世界各国充分认识到节能的重要意义，能源的合理利用 已成为当今世界各国工业如何良性发展的核心问题。随着现代工业的飞速发展， 能源紧张的状况愈演愈烈。为缓和能源紧张的状况，世界各国都在寻求新能源及 节能的新途径。而要研究如何开发诸如核能、地热、太阳能等新能源，如何高效 回收化工、石油等工业生产过程中存在的大量余热并加以充分利用，都离不开寿 命周期费用最经济、综合效率最高的换热器。因此，各国许多专家学者开始研究 和开发换热器的强化传热技术，为当代先进换热技术和节能技术的发展作出了重 要贡献。 对国内外换热器市场的调查研究表明，在各种型式的换热器中，管壳式换热 器约占7 0 【2 1 。虽然现在出现不少高效紧凑式换热器、新型热管和蓄热器设备， 如：板式、板翅式、热管及各类新型强化传热元件，但在石油、化工、热能、动 力等工业部门，管壳式换热器仍以其结构简单、坚固耐用、造价低廉、用材广泛、 清洗方便、可靠性高、适应性强等优点占据着主导地位。 1 2 1 对流强化传热机理分析 换热器传热计算的基本计算式为： q = k s 应。 ( 1 1 ) 由此可知，要想增大换热器的传热速率q ，有三种途径，即：增加传热系数乜 增大传热面积s ，或增加平均温度差丘。但是，后两种途径即增加传热面积或平 均温差经常受生产工艺的限制，只能在有限范围内采用，因此提高换热器的传热 系数便成为强化传热的主要途径，也是当前强化传热研究的重点。 提高换热器的传热系数的强化措施总的来说可分为两种：有源强化和无源强 化。顾名思义，有源强化技术必须依赖外加的机械力或电磁力的帮助；而无源强 化技术则除了传送传热流体介质的功率消耗外，不再需要外部附加动力。表1 1 2 第一章绪论 列出了目前工业中已经使用的各种有源强化和无源强化技术【1 1 0 表1 1 各种有源和无源强化技术 t h b l el - 1a 1 1k i n d so fa c t i v ea n dp a s s i v es t r e n 舀h e n i n gt e c h n o l o g yu s e di ni n d u s t 巧 有源强化技术无源强化技术 电磁场作用喷射或吸出粗糙表面法添加物法 静电场法机械方法特殊处理表面法扰流装置法 传热表面振动射流冲击强化扩展表面法 到目前为止，有许多强化传热技术被提出并实验过，但只有一小部分应用于 换热器中。其中，无源强化管由于制造简便，并可应用于现有设备改造，故应用 较多，而各种有源强化方法由于费用较高故实际使用很少。 本文中所研究的波纹换热管，就是一种无源强化法中的扩展表面法的强化传 热技术。下面主要介绍扩展表面法的一些强化传热措施。 1 2 2 扩展表面法强化传热 扩展表面法是以普通光滑圆形换热管为基管，在其内表面或外表面或内外表 面同时增加一些凸起来强化管内或管外传热，比较常见的是各种内外翅片管和异 形双面强化管。 1 2 2 1 内翅管 内翅管是采用特殊的焊接工艺和设备，在普通圆管的内壁加工出各种不同形 状和结构的翅片或肋片而成。这些翅( 肋) 片不但能增加换热管内的传热面积， 而且可以有效促进管内流体扰动，从而强化管内传热。现已运用的内翅管的结构 形状有很多，如图l l 所示，用材也比较广泛，制造工艺也多样。其中铜管和铝管 已大量商业化应用，且大部分是针对单相流。 o oo 图l l 现己应用的各种内翅管 f i g 1 - la l lk i n d so fi n t e m a l i yf i n n e dt u b e su s e di ni n d u s t 叮 1 9 7 1 年美国首先提出内翅片管，并于二十世纪九十年代又开发出一种高效强 北京化工大学硕士学位论文 化管内相变传热的内螺旋翅片管【3 j 。z h a n gy l l w e n 和a f a g m f 4 】用有限差分的数值 方法研究了某热能存储系统内使用内翅片管后的强化传热现象。分析发现，增加 翅片的高度、厚度以及翅片个数都可以显著增强换热；此外，在低雷诺数下，传 输低热导率的熔融流体时，内翅片管的强化效果最为显著。 国外对内翅片管的研究比较多，国内相关的研究则相对较少。西安交通大学 的宇波、王秋旺和陶文铨【5 】以及贺群武、罗来勤等【6 7 】对各种波纹内翅片管进行了 细致的研究，得到了一些有用的结论。 1 2 2 2 外翅管 外翅管也是在普通圆形换热管外，通过焊接增加一些翅片状凸起，在增加管 外传热面积的同时强化管外传热。外翅管的翅片可分为纵向翅片、横向翅片和其 他各种形式翅片等，在管壳式换热器中使用最多的还是横向翅片，其表面形状通 常包括平直翅片、开槽形翅片、三角穿孔形翅片、轮辐形翅片、割裂形翅片、钢 丝圈形翅片以及齿轮形翅片等几种形式，如图1 3 所示。所有这些形状均可以增强 涡流区传热元件间的热耗散，从而达到强化传热效果。在低雷诺数的流动中，应 用这些强化表面非常有效。 ( b 爝彤翅砖l c ji 络簪彳l 形建片( ( i ；轮鞴彤翅 ； 够彤 ( e ) 刮裂彤透靖f 旬钢丝斟形翘片( g ) 淹轮形翅片 m ，y 商翅j 二。 图l - 3 外翅管的表面几何形状 f i g 1 - 3g e o m e t 巧o f s e v e r a lk i n d so fe x t e m a l l y 矗n n e dt u b e s 1 2 2 3 异形双面强化管 不论是内扩展表面强化管还是外扩展表面强化管，都只能单方面的强化换热 管内或外的传热，丽无法实现双面强化，异形双面强化换热管的出现则弥补了这 个缺陷。 异形双面强化管通常也是以普通光滑直管为基管，用轧制、冲压、胀压、打 扁或爆炸成型等方法将直管传热面加工成各种凹凸形、波纹形或扁平状的传热面， 使流道截面的形状和大小均发生变化。这不但增加了传热面积，还促进了流体在 流道内的扰动，减薄了边界层厚度，从而达到强化传热的目的。目前工程上常用 4 第一章绪论 的异形双面强化管主要有以下几种： 1 ) 螺旋槽管 螺旋槽管，亦称螺旋槽纹管，它是在光滑直管表面滚压出螺旋形的凹槽，在 管内形成螺旋形凸肋的异形管，其结构如图1 5 所示。主要结构参数有槽深、槽距 和螺旋角，根据压制时的螺纹头数，可分为单头和多头的形式。管壁上的螺旋槽 能在有相变和无相变的传热中明显提高管内外的传热系数，起到双面强化的作用。 螺旋槽管为美国拔柏葛公司于1 9 5 6 年 首次试验成功f s l ，这种管子是在研究电站锅 炉管子烧坏现象的基础上产生和发展起来 的。螺旋槽管自问世以来，国内外很多学者 对其传热与流动性能进行了许多深入的研 究【9 1 2 l ，管内为气体或液体，管外为卧式蒸 汽冷凝时，强化效果十分显著。其强化传热 机理为，流体在管内流动时受螺旋槽纹的引 图1 5 螺旋槽管纵截面结构示意图 f i g 1 5l o n g i t u d i n a ls e c t i o no f s p i r a l g r o o v e dt u b e s 导使靠近壁面的部分流体顺槽旋流，有利于减薄边界层厚度；还有一部分流体顺 壁面轴向流动，通过螺旋槽纹凸起处便产生轴向漩涡，引起边界层分离及边界层 中流体的扰动，从而加快由壁面至流体主体的热量传递。这种管不仅可强化传热 且其抗结垢性能又高于光滑直管，因而广泛应用于动力、海水淡化、船舶、炼油、 石油化工等换热设备上。 在研究工作方面，无论是从传热、流阻、结垢性能，还是从无相变对流换热 和有相变凝结换热，对螺旋槽管的强化传热研究从理论到实践已达到较高水平。 进一步结合计算机软硬件的发展，对螺旋槽管在不同场合的传热特性进行数值模 拟和仿真，找出具有较大通用性的关联式以及优化螺旋槽管的结构尺寸将是今后 的主要研究方向。 2 ) 螺旋扁管 螺旋扁管是利用模压机具将圆管压 扁，然后扭曲而形成的一种换热管型，管 子的截面为椭圆形，其管内流道因管子的 扭曲而呈螺旋状，因此称为螺旋扁管，如 图l 一6 所示。 螺旋扁管是由瑞士a l l a r e s 公司首先提 出、美国b r o 、n 公司经过改进的一种异形 双面强化换热管。该管型的换热器没有任 何支撑挡板，仅靠管子之间的点接触来支 臻瓣 图1 6 螺旋扁管结构示意图 f i g 1 - 6d i a g r a m m a t i cs k e t c ho f s p i m lf l a tt u b e s 撑管束。其独特的结构形式能使管程与壳程流体同时处于螺旋流运动，促进了湍 5 北京化工大学硕士学位论文 流程度。它具有传热效率高、压降小、不易结垢易于清洗等优点。 国内外的一些学者对螺旋扁管进行了实验研究，发现螺旋扁管由于其结构特 点，使得管内传热系数比普通圆管大幅度提高，在低雷诺数时尤为明显；同时还 能强化管外的传热，且由于壳程无折流板，因此降低了压降，避免了流动死区。 意大利学者a b a r b a 、s r a j n i e r i 和m s p i g a l 乃j 对中等雷诺数范围时 ( 1 0 0 r e 8 0 0 ) 螺旋扁管内的水力性能和传热性能进行了研究，发现此时螺旋扁 管相对于直管的强化传热效果比较明显，但同时阻力系数也提高了1 8 3 。2 4 5 倍；同 时还得到了充分发展段内摩擦系数和努塞尔数的准数关联式。国内学者梁龙虎【1 4 j 和李春兰【1 5 】等也对螺旋扁管进行过实验研究，发现螺旋扁管由于其结构特点，使 得管内传热系数比普通圆管大幅度提高，在低雷诺数时最为明显，达2 3 倍；随 着雷诺数的增大，通常也可提高传热系数5 0 以上；同时还能强化管外的传热，且 由于壳程无折流板，因此降低了压降，避免了流动死区。 3 ) 横纹管 横纹管是以普通光管为毛坯，经简单滚压在管外壁滚轧出与管子轴线垂直的 凹槽，其结构见图l 一7 。由于横纹管外表面 形成一圈圈凹环，而内表面形成稍有凸起 的环肋，使内外表面积比相同尺寸的普通 直管大。流体流经管内凸肋后不产生螺旋 流而是沿整个截面产生轴向涡流使传热得 到强化。横纹管主要用来强化管内单相流 体的传热，对于管内流体的膜态沸腾传热 也具有很大的强化作用，而对管外的强化 传热效果则远不如对管内的强化传热明 显。 图1 7 横纹管纵截面示意图 f i g 1 - 7l o n g i t u d i n a ls e c t i o no f s p i r a l l yi n d e n t e dt u b e s 19 7 4 年莫斯科航空学院的k a i l i n l i n 等【1 6 】首次提出了横纹管的研究报告，他们对 各种管内及纵向流过横纹管外的气体及液体的强化传热进行了大量研究，并提出 了按流动区域划分的传热与流阻计算式及最佳管参数范围。 近年来国内也有很多学者对其进行了广泛的研究。陆应声掣1 7 】对横纹管传热 与流阻特性进行了系统的实验研究，探讨了横纹管的强化机理，更充分地揭示了 横纹管的优越性。刘吉普等【1 8 1 9 】通过试验研究了横纹管的力学性能，验证了这种 结构的可靠性。 4 ) 缩放管 缩放管是一种管横截面周期性放大和缩小的异形管，其纵截面结构简图如图 1 8 。根据缩放管收缩段和扩展段的长度，分为对称型缩放管、急扩慢缩管和急缩 慢扩管。由流体力学理论可知，当流体流过扩张段时流体的速度降低，静压增加， 6 第一章绪论 在收缩段中流体流速增加，静压减小。在扩 张段由于流体速度的变化产生剧烈的漩涡，i 并在收缩段中得到有效的利用。而且不断地 正弦管是一种横截面呈周期性变化的异 形管，其纵截面为正弦曲线。其结构如图1 9 所示。 迄今为止，国内外对正弦型波纹管的研究 甚少，s h o h e lm a h m u d 等采用有限体积法进行 数值模拟，得出理想情况下正弦波纹通道内压 降、速度及传热特性的分布规律【2 7 j 。m e t w a l l y 和m a n g l i k 【2 8 】利用控制体积的有限差分法对 较大的波形系数范围的正弦形通道内的强制 图1 9 正弦管纵截面示意图 f i g 1 - 9l o n g i t u d i n a ls e c t i o n0 f s i n u s o i d a lc o r r u g a t e dt u b e s 对流进行数值模拟。研究发现波形系数和雷诺数对传热系数的影响较为明显。 n i s h i m u r a 等【2 9 】通过实验研究了一种具有对称正弦形波纹的管道内的流动特性，如 7 北京化工大学硕士学位论文 流动形态、压降和壁面剪切应力等。对于他们实验中使用的波纹管，研究发现， 当雷诺数小于3 5 0 时，流动处于稳定的层流状态，当再增加雷诺数时，管内不稳定 漩涡的移动加剧，流动发展为湍流；层流时，摩擦系数与雷诺数成反比，而湍流 时，摩擦系数被证明与雷诺数无关。在后来更深入的研究中，n i s h i m u r a 等f 3 0 - 3 l 】又 研究了正弦波纹管内过渡流和湍流状态下的传质特性，结果表明，与相应的直管 相比，正弦管内的剪切层以及壁面上周期性的正弦波增加了垂直于壁面方向的对 流传输，因此使得管内传质效果大大增强。gr u s s 和h b e e r 【3 2 3 3 】分别用数值模 拟和实验的方法研究了一种正弦波纹管内的局部传热和传质特性，其研究的雷诺 数范围覆盖了层流、过渡流和湍流( 尺p = 3 0 0 ，2 0 0 0 ，8 0 0 0 ) 。研究发现，管内层 流时，充分发展段一个波长内的平均对流传热系数与相同条件下的直管几乎相等， 且此时在正弦管的波峰处形成了一个回流区，回流区范围很大而流速很低；随着 雷诺数的增加，流动逐渐变得不稳定，回流区的范围也减小，而充分发展段一个 波长内的平均对流传热系数增加；随着湍流程度进一步发展，局部传热和传质也 进一步加强，此时波纹管相对于直管的强化效果也达到最大。c c w m g 和c k c h e n f 3 4 佣简易坐标变换的方法研究了一正弦形波纹通道内的传热情况，考察了正 弦波几何参数、雷诺数和普朗特数对摩擦系数和努塞尔数的影响。研究表明，努 塞尔数和摩擦系数均随雷诺数和波幅波长比例的增加而增加，且波幅波长较小 时，强化传热不明显，而当波幅，波长较大时，该波纹管将是一个非常有效的强化 传热设备，尤其在雷诺数也较高时。淮海工学院刘洁等人提出了正弦型波纹换热 管，并采用套管式传热实验台，在较低雷诺数( 1 8 0 0 在占方程中增加了一项，反映了主流的时均应变率，从而r n g 七一g 模型可 以更好地处理高应变率及流线弯曲程度较大的流动； i 矾g 理论为湍流p r a i l d t l 数提供了一个解析公式，而标准忌s 模型使用的是 经验常数； 烈g 七一占模型仍是一种高雷诺数模型，但r n g 理论提供了一个考虑低雷诺 数流动粘性的解析公式，这些公式的效用依靠正确的对待近壁区域； l 州g 后s 模型的这些特点使得其比标准j i s 模型在更广泛的应用中有更高的 可信度和精度。 2 r e a l i z a b l e 忌占模型 文献【1 0 0 指出，标准尼g 模型对时均应变率特别大的情形，有可能导致负的 正应力，为使流动符合湍流的物理定律，需要对正应力进行某种数学约束。为保 证这种约束的实现，文献【1 0 1 】认为湍动粘度计算式中的系数巳不应是常数，而应 与应变率联系起来，由此提出了r e a l i z a b l e 后占模型。r e a l i z a b l e 尼一s 模型已被有效 地用于各种不同类型的流动模拟中，包括旋转均匀剪切流、包含有射流和混合流 的自由流动、管道内流动、边界层流动、以及带有分离的流动等。 2 2 3 2r e y n o i d s 应力方程模型( r s m ) 上面介绍的各种两方程模型都采用各向同性的湍动粘度来计算湍流应力，这 些模型难于考虑旋转流动及流动方向表面曲率变化的影响。为了克服这些缺点， 有必要直接对r e y n o l d s 方程中的湍流脉动应力建立微分方程式并进行求解。建立 r e y n o l d s 应力的方式有两种：一是r e y n 0 1 d s 应力方程模型，二是代数应力方程模 型。本论文只介绍第一种模型。 r e y n o l d s 应力方程模型简称r s m ，是r e y n o l d ss t r e s se q u a t i o nm o d e l 的缩写。 要使用这种模型，必须先得到r e y n o l d s 应力输运方程。 所谓r e y n 0 1 d s 应力输运方程，实质上是关于“；“，的输运方程。根据时均化法 则，“：甜? = 甜，“，一“，“，只要分别得到了“，甜口甜，“，的输运方程，就自然得到关于 3 0 第二章四种异形双面强化管管内对流传热与阻力性能对比研究 丽的输运方程。为此，从瞬时速度变量的n a v i e r - s t 。k e s 方程出发，按下面两个 步骤生成关于甜：的输运方程。 第一步，建立关于瓦的输运方程。过程是：将吩乘以“，的n a v i e 卜s t o k e s 方 程，将“，乘以甜的n a v i e r s t o k e s 方程，再将两方程相加，得到甜，“，的方程，对此 方程作r e 驴o l d s 时均、分解，即得到瓦的输运方程。注意：这里的“，和“均指 瞬时速度，非时均速度。 第二步，建立虿瓦的输运方程。将“f 乘以“，的r e ”o l d s 时均方程，将“，乘 以i 的r e y n o l d s 时均方程，再将两方程相加，即得到甜，“，的输运方程。 将上面两步得到的两个输运方程相减后，得到材：甜? 的输运方程，即r e y n o l d s 应力输运方程。经量纲分析、整理后的r e y n o l d s 应力方程可写成如式( 2 4 1 ) 所 示的形式。 方程( 2 4 1 ) 中第一项为瞬态项，其他各项依次为：c ，一对流项；d 珊一湍 动扩散项；仇，。一分子粘性扩散项；弓一剪应力产生项；g 扩一浮力产生项；口一 压力应变项：占，一粘性耗散项；f ，一系统旋转产生项。 翊+ 垫圃 魂 舐七 c o ：一r p 瓦瓦+ 丽+ 而| 一瓦一协_ ，锄七+ 留灯叩钐mj 明，u + 一二丛至量二巫墨 二竺鱼翌二兰至埘 筹+ 等 兰百一 却善鼍堑型 j 兰； 北京化工大学硕士学位论文 与七一s 模型一样，r e y l l o l d s 应力模型也属于高雷诺数湍流模型，虽然它比 七一占模型应用范围更广、包含更多的物理机理，但仍有很多缺陷。计算实践表明， 虽然r s m 可以考虑一些各向异性效应，但并不一定比其他模型效果更好。在计算 突扩流动分流区和计算湍流输运各向异性较强的流动时，r s m 优于两方程模型， 但对于一般的回流流动，r s m 的结果并不一定比七一模型好。另一方面，就三维 问题而言，采用r s m 意味着要多求解6 个r e y n o l d s 应力的微分方程，计算量大， 对计算机要求高。因此，r s m 不如七一模型应用广泛，但许多文献却认为r s m 是一种更有潜力的湍流模型。 到目前为止，尽管人们已经提出了许多湍流模型，但各个模型都不够成熟， 都或多或少存在一些缺点。湍流模型的选取不仅要考虑模拟复杂流动的可靠性和 精确度，同时还要考虑计算所需的费用和时间问题，后者对于工程应用尤为重要。 通常评价湍流模型优劣的标准是：能够适用于较多种类型的流动现象；具有足够 的模拟精度；计算费用适度；复杂程度适当。 2 3 基于c f d 的管内传热与阻力性能的数值模拟 用实验的方法研究各种换热元件的传热与阻力性能是一种传统的研究方法， 因为实验测量结果一般真实可信，是理论分析和数值模拟的基础。但是，实验研 究通常会受到模型尺寸、流场扰动、测量精度等诸多因素的影响和限制，此外还 有投资大、周期长等缺点。因此本节将基于计算流体动力学对四种异形双面强化 传热管管内的传热与阻力性能进行数值模拟，以考察四种管型管内流动与传热特 性的差别。 我们知道，在不同的工业领域，换热器需要处理的介质类型是多种多样的， 且介质的形态、组分、密度或粘度等都可能存在很大的差别。但是，作为研究的 第一步，这里先研究水在换热管内强制对流流动时的传热与阻力特性，以探讨各 种管型的传热与流动性能。 2 3 1 分析软件简介 本章数值模拟采用的软件是商业c f d 软件a n s y s f l o t r a nc f d 。它是一 种采用分离式方法求解n s 方程及能量方程的通用c f d 程序，缺省时应用单调的 流线一阶迎风来离散对流项，但由于该离散格式精度不高，有时会出现严重的假 扩散现象( 对流一扩散方程中一阶导数项，即对流项的离散格式的截断误差小于 二阶而引起较大数值计算误差的现象称为假扩散现象) ，因此实际计算时通常要选 3 2 第二章四种异形双面强化管管内对流传热与阻力性能对比研究 择更高精度的离散格式，如二阶迎风格式、q u i c k 格式以及改进的q u i c k 格式 等，其中q u i c k 是“q u a d r a t i cu p w i n di n t e 甲0 1 a t i o no fc o n v e c t i o nk i n e m a t i c s ”的 缩写，意为“对流运动的二次迎风插值”，是一种改进离散方程截断误差的方法。 f l o t 蝌c f d 软件的功能有：可以模拟周期性边界、多孔介质、分布阻力、 运动壁面、耦合传热、层流与湍流、不可压缩与可压缩流、牛顿流与非牛顿流、 旋转坐标系、多组分输运等问题。 f l o t r a nc f d 采用的离散化方法是有限元法，它提供了两种流体单元： f l u i d1 4 1 和f l u i d l 4 2 ，分别用于处理二维和三维问题。f l u i d1 4 1 单元是二维 四节点四边形或三节点三角形单元，f l u i d1 4 2 单元是三维四节点四面体或八节 点六面体单元。这两种流体单元都具有多个自由度，如：速度、压力、温度、湍 流动能、湍流能量耗散、多达六种流体的各自质量所占的份额等。 f l u i d 单元的其他特征包括： ( 1 ) 用于模拟湍流的二方程湍流模型； ( 2 ) 有很多导出结果，诸如：流场分析中的马赫数、压力系数、总压、壁 面剪应力、壁面处的y + ，以及流函数；热分析中的热流、传热系数等： ( 3 )多种流动边界条件，包括：速度、压力、湍流动能以及湍流耗散率。 用户无需提供流场进出口湍流项的边界条件，因为f l o t r a n 对此提 供的缺省值适用于绝大多数的分析； ( 4 )多种热边界条件，包括：温度、热流、体积热源、传热系数等； ( 5 )用户可用的坐标系有：笛卡儿坐标系、柱坐标系、极坐标系和轴对称 坐标系；如果所计算的问题是轴对称的，激活旋转选项即可算出垂直 于对称平面的速度分量。 f l o t 凡埘提供了多种湍流模型，如零方程湍流模型、标准后一g 湍流模型、 r n g 湍流模型、n k e 湍流模型和g i r 湍流模型等，且这些湍流模型均是涡粘模型。 其中，零方程湍流模型是最简单和最快的湍流模型，但它只适用于几何形状和流 动特征都相对简单的问题；标准意一占模型是默认的湍流模型，它通常能提供流动 的真实情况，能用于计算管道和通道中的湍流流动；i g 、n k e 和g i r 模型都是 标准尼一s 湍流模型的扩展，这些模型在几何形状曲度变化剧烈，即大应变区域能 产生更为真实可靠的结果，这特别适用于分析有强烈加、减速度( 例如收敛喷管) 或有明显分离和回流的流动。此外，对于旋转流动，n k e 和g i r 模型比较适用。 根据这些湍流模型的特点，本章数值模拟时选用的湍流模型是r n g 尼一占湍流模 型，该模型在处理近壁区域时，采用的方法是高雷诺数七一s 模型与壁面函数法相 配合。 北京化工大学硕士学位论文 2 3 2 数值模拟前的简化假设 如前所述，基于c f d 的数值模拟可以解决工程中遇到的大部分流动与传热问 题。在数值模拟时，为了最大限度地利用有限的计算资源以使求解能够进行，并 获得快速稳定的收敛解，通常需要在分析前作一些适当的简化假设。 本章根据波纹管内流动和传热的特点，作了如下几点简化和假设： ( 1 )由于本章研究的是换热管内稳定流动时的传热与阻力特性，因此可认为管 内流动为稳态流动； ( 2 ) 由于管内流速不是很高，流动介质( 水) 的压力变化不是很大，因而其密 度随压力的变化也不大，故可将水视为不可压缩流体； ( 3 ) 换热管内的流动以轴向流和径向流为主，周向流的影响很小，因此可近似 假设管内流动为二维轴对称流动，这虽然会在一定程度上影响管内流场分 布及流动状况的真实性，但对总的传热与阻力效果不会有太大的影响； ( 4 ) 忽略管内流体质量力； ( 5 )各换热管管壁为刚性，即不需考虑流固耦合作用。 2 3 3 流体物性 由于水的物理性质随温度变化不是很大，因此数值模拟时近似认为水的物性 恒定，并取2 0 时水的物性1 0 2 1 来计算，见表2 一l 。 表2 12 0 时水的主要物性 7 i a b l e2 - lm a i np h y s i c a lp r o p e r t i e so fw a t e ra t2 0 密度( k m 3 )比热( k j k g k ) 导热系数( w m k )粘度( m p a s j 9 9 8 24 1 8 3o 5 9 91 0 0 5 2 3 4 几何模型 本章数值模拟时所用的四种换热管的基本尺寸均相同。建立几何模型时，基 本结构参数为：总长l = 2 7 3 m m ，波距s = 1 9 3 m m ，波深a - 2 5 m m ，波谷直径( 或小 径) d l = 2 0 m m ，波峰直径( 或大径) d 2 = 2 5 m m ，壁厚f 0 8 m m 。几何轴对称模型如图 2 1 所示。 第二章四种异形双面强化管管内对流传热与阻力性能对比研究 图2 1 数值模拟时波纹管的几何模型 f i g 2 - lg e o m e 仃i cm o d e lo fc o r r u g a t e dt u b e si nn u m e r i c a ls i m u i a t i o n 此外，为避免数值模拟时进出口段对管内流动和传热效果的影响，在建立波 纹管的几何模型时，在管的进出口端各增加了两个直管段，长度为4 0 m m ；在管长 方向，为使流动能充分发展，除进出口直管段外，还包含了1 0 个波距的长度。考 虑到2 3 2 节中所做的轴对称假设，因此只在x y 平面内建立了换热管的轴对称面。 2 3 5 边界条件 所谓边界条件，是指在求解域的边界上所求解的变量或其一阶导数随空间和 时间变化的规律。只有给定了合理的边界条件，数值模拟时才可能计算出流场的 解。因此，边界条件是c f d 问题有定解的必要条件。 本章数值模拟时，设定的边界条件见2 3 5 1 节到2 3 5 4 节。 2 3 5 1 入口边界 对于管内流动，常用的流动入口边界有：速度入口边界、压力入口边界、温 度入口边界和质量入口边界，其中质量入口边界主要用于可压缩