（化工过程机械专业论文）内插自振弹簧换热管流动与传热的数值模拟及试验研究.pdf

at h e s i ss u b m i t t e di nf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro f e n g i n e e r i n g n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho n f l u i df l o wa n dh e a tt r a n s f e ro fb u i l t i n s e l f - v i b r a t i n gs p r i n gh e a te x c h a n gt u b e s e l l - v i b r a t i n gs p r i n gh e a te x c h a n g e t ue m a j o r：c h e m i c a lp r o c e s sm a c h i n e r y c a n d i d a t e ：x i o n gw e n s u p e r v i s o r ：x u j i a n r a i n w u h a ni n s t i t u t eo f t e c h n o l o g y w u h a n ，h u b e i4 3 0 0 7 4 ，p rc h i n a m a y , 2 0 1 0 摘要 摘要 内插自振弹簧换热管由于具有强化传热效果，因此也被越来越多地 应用于管壳式换热器中。本文主要采用数值模拟和试验研究的方法对内 插白振弹簧换热管进行研究 ，主要的研究工作如下： 第一、利用数值模拟方法结合场协同理论，对水水工质下内插 自振弹簧管换热器管内、外流动和传热特性进行了研究，重点探讨了内 插自振弹簧换热管的强化传热机理和相对于普通换热管( 光管) 的强化 传热效果。论文发现内插自振弹簧换热管的流场和速度场的协同性较好， 从而实现了强化传热；在本文所研究的初速度范围内，内插自振弹簧换 热管强化传热综合性能n u ( 疗是光管的1 0 3 - 3 2 1 倍，此外，还研究了 内插自振弹簧换热管的几何参数对管内传热性能的影响。 第二、搭建换热器性能测试试验平台，对9 种不同几何参数的内插 自振弹簧换热管进行试验研究，并和光管相比较，得到内插自振弹簧换 热管的几何尺寸、流体流动状态对换热器传热、压降及综合性能的影响， 得出内插自振弹簧换热管相对于光管的强化传热优势和特点，并验证数 值模拟所得出的结果和规律。 第三、运用一元、多元线性回归的方法结合m a t l a b 软件，求解出 9 种不同几何参数的内插自振弹簧换热管流动阻力、传热准则公式。 关键词：换热器内插自振弹簧换热管强化传热数值模拟试验研究 论文 i i a b s t r a c t a sh a v i n gh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n te f f e c t s ，b u i l t - i n s e l f - v i b r a t i n g s p r i n gh e a te x c h a n g et u b ea r em o r ea n dm o r ew i d e l yu s e dt oc o n s t r u c tt h e s h e l l a n d t u b eh e a te x c h a n g e r s s t u d yo fb u i l t - i ns e l f - v i b r a t i n gs p r i n gh e a t e x c h a n g et u b e sp e r f o r m a n c ew a sc o n d u c t e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t a l r e s e a r c hi n t h i st h e s i s t h em a i nw o r ko ft h e s t u d y i s s u m m a r i z e da sf o l l o w s ： f i s to fa l l ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dt h e o r e t i c a la n a l y s i sw i t hf i e l d s y n e r g yp r i n c i p l ew e r ec a r r i e do u tf o rt h ef l o wa n dh e a tt r a n s f e ro ff l u i d i n s i d ea n do u t s i d eab u i l t - i ns e l f - v i b r a t i n gs p r i n gh e a te x c h a n g et u b e t h e r e s e a r c hi s e m p h a t i c a l l yp e r f o r m e do nt h em e c h a n i s ma n de f f e c t o fh e a t t r a n s f e re n h a n c e m e n tc o m p a r e dw i t has t r a i g h tt u b e t h eh e a tt r a n s f e r p e r f o r m a n c e i sb e t t e rw h e nt h ec o o r d i n a t i o no fv e l o c i t yv e c t o ra n d t e m p e r a t u r eg r a d i e n tv e c t o ri sb e t t e r t h er a t i oo fa b i l i t yo fh e a tt r a n s f e ra n d n 训譬no fb u i l t - i ns e l f - v i b r a t i n gs p r i n gh e a te x c h a n g et u b ei s1 0 3 、一3 。21t i m e s m o r et h a nt h a to fb a r et u b e a l s o ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o dw a sa p p l i e dt o i n v e s t i g a t et h ee f f e c t so fg e o m e t r i cp a r a m e t e rt oh e a tt r a n s f e ri nt u b es i d e s e c o n d l y ，a ne x p e r i m e n t a ls y s t e mf o rt h ep e r f o r m a n c et e s to fh e a t e x c h a n g e rw a sd e s i g n e d e x p e r i m e n t a lr e s e a r c hw a sc o n d u c t e db yu s i n gt h e t e s tr i gw i t hd i f f e r e n ts i z eb u i l t - i ns e l f - v i b r a t i n gs p r i n gh e a te x c h a n g et u b e ， a n dc o m p a r e dw i t hs t r a i g h tt u b eh e a te x c h a n g e r e f f e c t so ff l o ws t a t e ，f l u i d p r o p e r t ya n dg e o m e t r i cp a r a m e t e ro nh e a tt r a n s f e ra n df l o wf r i c t i o np r o p e r t i e s i nt u b e s i d eo fc o r r u g a t e dt u b eh e a te x c h a n g e rw a si n v e s t i g a t e db yt h e e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h ，a l s ot h e r e s u l t so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o nw e r ev e r i f i e d l a s t l y ，o b t a i nn i n es i z e so fb u i l t i ns e l f - v i b r a t i n gs p r i n gh e a te x c h a n g e i i i i v 目录 目录 摘要i a b s t r a c t - - i i i 第一章绪论1 1 1 课题研究的目的和意义一1 1 2 管壳式换热器强化传热概述l 1 2 1 强化传热过程概述1 1 2 2 强化传热评价准则2 1 2 3 管壳式换热器强化传热的发展3 1 3 管壳式换热器的研究方法一6 1 3 1 理论分析6 1 3 2 试验研究6 1 3 3 数值模拟7 1 4 插入物强化传热的发展现状8 1 5 论文研究的主要内容11 1 6 论文的创新点一1 1 第二章内插自振弹簧换热管工作原理及试验装置1 3 2 1 试验材料1 3 2 1 1 试验用白振弹簧1 3 2 1 2 自振弹簧的连接1 3 2 2 自振弹簧换热管的振动原理1 4 2 2 1 自振弹簧的振动1 4 2 2 2 自振弹簧的轴向波速1 5 2 2 3 内插自振弹簧换热管的工作机理1 7 2 3 试验装置17 武汉工程大学硕士学位论文 2 4 试验流程18 2 5 试验设计1 9 2 6 本章小结1 9 第三章内插自振弹簧换热管管程流动与传热特性的数值模拟一2 l 3 1 数值模拟前的简化假设”2 1 3 2 几何模型2 1 3 3 控制方程一2 2 3 4 网格研究2 3 3 5 边界条件2 4 3 5 1 入口边界2 4 3 5 2 出口边界”2 5 3 5 3 壁面边界和弹簧边界2 5 3 6 计算方法2 6 3 7 计算结果及讨论2 6 3 7 1 流动特性分析2 6 3 7 2 管程传热特性分析3 3 3 8 几何参数对传热的影响3 4 3 9 本章小结3 5 第四章试验用换热器壳程流动与传热特性的数值模拟3 7 4 1 计算模型3 7 4 1 1 几何模型3 7 4 1 2 网格划分3 7 4 1 3 边界条件3 8 4 1 4 计算方法3 8 4 2 计算结果分析3 9 4 2 1 壳程流动特性分析3 9 i i 5 7 小结7 0 第六章结论与展望7 3 6 1 结论7 3 6 2 展望7 3 参考文献7 5 附录试验采集到的原始数据7 9 硕士期间发表的学术论文8 9 致谢9 1 i i i 汉工程大学硕士学位论文 i v 第一章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 第一章绪论 本课题对9 种不同尺寸的内插自振弹簧换热管和光管的传热及阻力 特性进行了试验研究，并对其管内、外流动进行了数值模拟。具体分析 了内插自振弹簧换热管传热及阻力特性与自振弹簧尺寸的关系，并利用 线性回归的方法给出了内插自振弹簧换热管的换热与阻力准则公式，以 期为自振弹簧管换热器的工程设计提供理论依据。 换热器是热力过程中的关键设备，在冶金、机械、交通、动力、航 空、国防等诸多工程领域中有着广泛应用【l 。5 】。同时，随着2 l 世纪新技术、 新材料、新工艺的不断开发利用，以及世界范围的能源危机，各国都把 高效利用能源与节约能源放到首要位置，而节能减排更是我国的基本国 策【6 】。所以，换热器的强化传热研究也成为该领域研究的重点，成为人们 关注的重要课题之一5 1 。 1 2 管壳式换热器强化传热概述 1 2 1 强化传热过程概述 强化传热的研究由来已久，在1 8 世纪初期，n e w t o n 就提出了让风吹 过物体表面强化对流换热，但是，世人真正重视和研究强化传热是在二 十世纪7 0 年代石油危机出现之后【7 9 1 。随着科学技术的进步，现代化工 业进程的加快，对于高效换热设备的要求越来越迫切，强化换热过程就 尤为重要。以b e r g l e s 为代表的国外学者，着眼于换热性能与阻力性能的 关系，也就是将采取强化传热手段后所获得的收益与付出的代价结合起 来【8 - 2 2 。换热设备在工程应用中，依据该措施是否需要额外的动力划分为 无功技术( p a s s i v et e c h n o l o g y ) 和有功技术( a c t i v et e c h n o l o g y ) 9 - 2 引。无 武汉工程大学硕士学位论文 功技术是指不需要额外的功率消耗( 不包括由于阻力加大而引起的泵功 率增加和制造工艺中的能量消耗) ，而有功技术是指需要借助于外加动力 方可实现【7 垅】。其中，无功技术由于它不需要其他附属设备和额外功率消 耗，工作可靠，在工业生产中的应用得更为广泛【1 8 。2 2 】。属于无功技术的 有表面处理、粗糙表面、扩展表面、旋流发生器、内插物、螺旋管、添 加物、表面张力器件以上八种 1 8 - 2 2 1 。属于有功技术主要有表面振动、流 体振动、机械扰动、电磁场、喷射或吸出以上五种【1 8 - 2 2 1 。上述几种常用 强化换热技术中，有的只适用某些特定的传热介质和传热过程，有的则 对所有换热情况都有不同程度的强化作用。另外，还有复合强化传热技 术，也就是把两种或两种以上强化传热技术同时采用，以期获得更好的 强化传热效果 2 2 1 。强化传热技术在换热器中的广泛应用，目的主要有以 下几方面【2 2 】：( 1 ) 提高换热设备的传热效率，增加换热量；( 2 ) 节省换热设 备的换热面积，缩小换热器体积；( 3 ) 减小传热温差，提高换热设备热力 循环效率；( 4 ) 减少输送流体所需功耗。 目前，国际上己探索和开发出上百种的强化传热技术，但是现在所 应用的强化传热技术都有一个普遍矛盾，即在提高换热效率、强化传热 的同时，阻力损失也随之增大，所以，使很多强化传热技术不能在工业 生产中广泛应用【2 2 1 。 1 2 2 强化传热评价准则 在评价强化传热的综合效果时，需要考虑许多因素，例如：安全性、 实用性、经济性等【2 2 】。因此，评价一种强化传热技术的优劣，选择合适 的强化传热评价准则至关重要。 单纯的只追求传热系数、平均温差或传热面积的改善是不够的，因 为所采取的强化传热措施同时会使流动阻力增大，或其他方面的能耗要 求提高 2 2 1 。近来，由于管程强化传热技术被越来越多的应用于新型换热 器的研发中，如何评价管程强化传热的优劣已成为人们的关注的问题。 第一章绪论 初期，人们关心的是给热系数可以提高多少，因为热量输出与给热系数 的正比关系，所以n u n u o ( 强化传热管与参考管n u 之比) 成为早期的评 判准则【2 2 】。后来研究发现阻力系数随着传热系数的提高而大大增加，甚 至有时，阻力系数比给热系数的提高得更快，于是提出以( 肌姚) 蝤乞) 作为强化传热管评价的准则，以它是否大于1 作为工业上采用与否的标 准【1 7 1 。然而，以( n u n u 。) 孵己) 作为判断强化传热管优劣的准则有其不完 善之处，因为介质的输入功率与速度三次方成正比关系，所以即使 ( n u n u o ) ( f f o ) 小于1 ，依然可以在一样的输入功率下输出较大的能量 【2 2 】。因此，以一样输入功率下输出能量多少为标准，用下式1 - 1 所示的 强化传热综合性能评价因子y ，作为强化传热判断准则较为合理【2 l 2 2 1 。本 论文选用第三种评价方法，若吵大于1 ，即在一样输入功率下强化传热管 输出能量好于参照管，此值越大，即强化传热管的强化传热效果越佳 2 2 1 。 缈= ( u n u o ) ( 孝专o ) “3 ( 1 - 1 ) 1 2 3 管壳式换热器强化传热的发展 管壳式换热器是当前理论研究和设计技术完善，运用可靠性良好， 而且应用最广的一类换热器【2 2 。3 0 1 。 管壳式换热器强化传热的研究主要集中在强化管程和壳程两大方 面，早期换热器多采用普通圆直管作为换热元件，随着强化传热技术研 究的不断深入，越来越多管程强化传热技术应用到换热器设计制造中 2 2 - 2 4 。主要为采用新型强化传热管或管内增加扰流物，如螺旋槽管、螺 旋扰流管、横纹槽管、内肋管、缩放管、翅片管、管内螺旋扰流装置等【2 2 硎。 部分管程强化传热装置如图1 - 1 所示。 武汉工程大学硕士学位论文 ( a ) 螺旋槽管 ( b ) 横纹槽管 ( c ) 缩放管 ( d ) 螺旋绕流管 ( e ) 翅片管 图1 1 常用强化传热管 f i g 1 - 1c o m m o ne n h a n c e dh e a tt r a n s f e rt u b e 另一方面，早期的管壳式换热器多为弓形折流板换热器，它存在易 4 第一章绪论 产生流动死区、传热面积利用率低、传热效率低、易结垢等缺点。近年 来螺旋折流板换热器，盘环形折流板换热器、折流杆换热器，空心环管 换热器等多种新型壳程结构应运而生 2 6 1 。图1 2 为部分新型换热器壳程 结构示意图。 ( a ) 折流杆换热器壳程结构 ( b ) 盘环型折流板换热器壳程结构 ( c ) 螺旋折流板换热器壳程结构 图l - 2 新型换热器壳程结构示意图 f i g 1 - 2d i a g r a mo f n e wt y p eo f h e a te x c h a n g e r s h e l ls t r u c t u r e 性，都将起到重要作用，但是这种传统研究方法存在着很大的不足和弊 端，比如：试验条件受到限制、存在着原始缺陷和误差、试验成本高、 不利于换热器的放大设计和优化设计等，这些都不能很好地满足换热器 的研究和开发的需要。 1 3 3 数值模拟 在管壳式换热器的研究中应用数值模拟的方法，最早是由英国 p a t a n k a r 和s p a l d i n g 于1 9 7 4 年提出来的【2 9 】。随着计算流体动力学 ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，简称c f d ) 和计算传热学( n u m e r i c a l h e a tt r a n s f e r ，简称n h t ) 的蓬勃发展，以及计算机硬件技术的提高，使 得换热器的数值模拟与计算机仿真成为可能【2 9 1 。随着一系列大型c f d 商 业软件，如f l u e n t ，c f x ，p h o e n i c s 、s t a r - c d 等的成功研发和投入实际 使用，使得管壳式换热器数值模拟与计算机仿真更加方便容易 2 9 1 。对比 试验研究，数值模拟具有以下诸多突出优势： ( 1 ) 研究时间较短、使用简便灵活、重复性好，并且能有效的降低研 究费用； ( 2 ) 限制较少、易改变计算条件； ( 3 ) 可研究复杂初边值条件或复杂工况下的流动现象和流动特性，便 于优化设计。 对管壳式换热器进行数值模拟时，必需把管程、壳程流体的速度场、 压力分布、温度情况等细节一一分析出来，再计算求解流体流动阻力与 换热系数 2 9 1 。但是，由于其流动与传热情况的复杂性及易变性，实现准 确、快速的数值模拟是十分困难的。所以，文献【2 9 】提出了分布阻力的概 念，用容积多孔度夕表示流体占有的空间占整个名义空间的百分比，以 简化换热器流体流动和传热的数学模型。但是这种方法的缺陷是【2 9 】：其 流场内分布阻力、分布热源等多个重要输入参数都与换热器的结构形式、 大小、流经的介质有关，只能通过试验确定，因而造成试验成本巨大、 周期长，若根据经验来确定这些参数，则其数值计算的准确性难以把握。 正因为仅仅利用分布阻力系数和容积多孔度不能获得真实的流场， s h a l 3 0 1 于1 9 8 2 年提出管束多孔度不是各向同性，更深入提出了表面渗透 度的概念，认为必须综合应用分布阻力、容积多孔度、表面渗透度的概 武汉工程大学硕士学位论文 念以更全面地考虑壳程固体表面对于流体的作用，并在壳程流体的动量 方程中加入粘性力项。 虽然我国对管壳式换热器数值模拟的研究起步较晚，但目前已得到 足够重视。正在开展越来越多的研究工作，如青岛化工学院叶林，陈树 新【3 l 】对换热器中管程高粘度流体流动和传热进行了数值模拟，得出应采 用较小管径以减小径向温差，显示出换热器流体流动和传热数值模拟的 优越性，但对复杂的换热器壳程流体流动与传热的数值模拟，则没有涉 及。上海交通大学黄兴华等人【3 2 】对弓形折流板管壳式换热器的模拟进行 了研究，他们采用了多孔介质模型，考虑了壳程复杂几何结构的体积多 孔度、表面渗透度、分布阻力和分布热源等因素对流动阻力、传热效应 的影响。清华大学解衡，高祖瑛等【3 3 】利用p h o e n i c s 软件提供的多孔介质 模型计算了低温供热堆主换热器的流动与传热性能，其数值模拟结果与 试验数据吻合较好。王定标等【3 4 】采用f l u e n t 软件对简化的纵流式换热器 四管模型进行了研究，得到不同支撑结构形式下各截面上的速度和温度 分布。华中科技大学的明廷臻、刘伟等【3 5 l 同样采用f l u e n t 软件研究了余 热排出热交换器管束间的自然对流情况。 1 4 插入物强化传热的发展现状 随着强化传热技术的发展和开发，在无功强化技术中，管内安装插 入物的强化传热技术得到了迅速发展。 管内安装插入物强化传热技术具有明显的优势【17 ，3 6 1 ： l 、不改变传热面的形状，成本较低； 2 、插入物加工简单，安装方便； 3 、在强化传热的同时，实现换热设备自动在线除垢。 随着强化传热技术的快速发展，如今，已经开发并投入使用的内插 物强化传热元件种类繁多，如：环式、拉希格图、盘式、球式、螺旋线 圈、螺旋弹簧、螺旋片、静态混合器( k e n i c s 静态混合器、k o c h - s u l z e r 静 第一章绪论 态混合元件) 、径向混合器、网式、刷式、纽带、钻孔纽带、错开纽带、 花丝、交叉锯齿带、c t 波带等等【2 2 】。 - ( 崎螺旋觚镪扰流靛麓 ( 崎t w i a t s d r i p ei r i d e 吐h 饥七 图l - 3 常用霄内扰流装置 f i g 1 3c o m m o n t u b es p o i l e rd e v i c e 插入物的各种类型中其强化传热的机理大致可分为四种： 1 、形成旋转流，增加流体路径； 2 、使中心流体与管壁流体产生置换作用，加快管路中流体横向对流； 3 、分割流体，破坏边界层的发展，使边界层减薄，降低传热膜系数； 4 、产生二次流。 国外从1 9 世纪末就开始研究和开发管内插入物强化传热。学者近百 年对管内插入物的研发可大致分为三个阶段： 第一阶段：插入物湍流强化传热 从1 8 9 6 年至2 0 世纪7 0 年代，对插入物的研究和探索主要集中在湍 流强化传热 1 7 , 2 2 j 。 1 9 2 1 年，r o y d s 通过试验得出管内湍流促进器有强化传热的作用 【1 7 ，2 2 】 o 1 9 5 8 年，k o c h 研发了一系列固定于换热管内的内插物，如：圆环形 薄片、流线型薄片、圆盘形薄片、纽带螺旋片【17 ，2 2 1 。 1 9 7 4 年，b e r g l e s 、m u r p h y 和m e g e r l i n 等人通过把金属网和螺旋刷插 入换热管内，进行强化湍流传热试验，结果显示内插入金属网或螺旋刷 后其传热膜系数是光管的5 9 倍，但是，其流动阻力压降非常高，因而 但上述几种形式的插入物大多只能适用于低黏度的流体的强化传 热，并且对高黏度流体强化传热的机理研究和试验数据是十分欠缺的。 第三阶段：强化传热的同时实现在线除垢 另外，在石油化工生产中，换热设备普遍存在污垢沉积问题，且在 工业生产中一旦停机清洗，会严重影响经济效益，这都大大加快了自动 在线除垢传热技术的研发。 1 5 论文 本课 ( 1 ) 厶士厶 多日口 性进行了 还考察了几何结构参数及流动状态对其管程传热特性的影响。 ( 2 ) 内插自振弹簧换热管试验研究 对9 种不同尺寸的自振弹簧管和光管的传热及阻力特性进行了试验 研究，具体分析了自振弹簧管传热及阻力特性与弹簧尺寸的关系，并和 传统的光管换热器相比较。发现了内插白振弹簧换热管在不同流动条件 下相对于光管的最佳强化比和最佳传热强化区，说明其具有的强化传热 优势。 ( 3 ) 求解准则公式 运用一元、多元线性回归的方法，利用m a t l a b 软件求解自振弹簧 的换热与阻力准则公式，以及带弹簧参数的准则公式，以期为自振弹簧 管换热器的工程设计提供理论依据。 1 6 论文的创新点 ( 1 ) 对弹簧内插物的强化传热特性，利用f l u e n t 软件进行数值模拟 分析，并对其三维流动场的压力分布、速度分布、温度规律进行定性研 究，并建立几何参数不同的内插自振弹簧换热管模型，分析其影响因数。 ( 2 ) 利用波动理论，论证自振弹簧的几何参数对振动传播的影响。 ( 3 ) 对内插自振弹簧进行试验研究，得出其阻力与传热的影响因素， 分析其几何参数对阻力和传热的作用。得到弹簧的起振区和最佳传热区。 ( 4 ) 用试验方法对数值模拟进行证明，验证其正确性，并由线性回 归的方法得出内插自振弹簧换热管的阻力和传热的准则公式。 武汉工程大学硕士学位论文 1 2 第二章内插自振弹簧换热管工作原理及试验装置 第二章内插自振弹簧换热管工作原理及试验装置 2 1 试验材料 2 1 1 试验用自振弹簧 2 1 2 自振弹簧的连接 为在换热管中连接自振弹簧，换热管入水口、出水口端面上安装有 弹簧悬架，悬架直接焊接在换热器封头盖上，且在悬架的中间开有 1 2 m m 的孔，将自振弹簧的两端用螺栓与螺母紧密地连接在一起，自振弹 一一一一一 一一坫”8圪屹埒：2坫：2 一一一一一一 一一一一 是较为9嬲的 一 一 一婀一一帆 一鹇一矿，矿护矿矿矿旷 一一一一一一一 一耪一矿，矿护矿矿矿旷 由长度。自振 在水流的冲击 ，首先要了解 弯曲螺旋弹簧 螺旋弹簧。如 图2 - 2 自振弹簧简图 f i g 2 - 2d i a g r a mo fs e l f - v i b r a t i n gs p r i n g 自振弹簧在换热管中，受到两边弹簧悬架的作用、管程流体的冲击 以及自身的重力的影响，产生振动。其包括：径向、周向振动以及轴向 第二二章内插自振弹簧换热管工作原理及试验装置 的游动。 振动在介质中传播就会形成波【3 9 】。即：自振弹簧是由无穷多的弹簧 质元通过相互之间的弹性作用力组合在一起的，当有作用力激发白振弹 簧一端振动时，这种振动将引起相邻弹簧质元的振动，紧挨着引起次邻 近，次次邻近，次次次邻近的振动，虽然每个弹簧质元没有远离他 们各自的平衡位置，但由于弹性力的作用，这种振动的状态会依次的传 播开去【3 9 1 。 波有不同的类型，按媒质内质元振动方向与波传播的方向的关系可 分为横波和纵波1 3 9 1 。自振弹簧的振动产生的机械波应是纵波。 波传播的过程不但是振动状态的传播过程，而且是能量传播的过程 【3 9 】。当自振弹簧受到管程流体的冲击时，弹簧一端质元就从静止于平衡 位置的状态变为在平横位置附近的振动的状态。即：该质元具有了机械 能，当振动传播开去后，其机械能也会由近及远的传播。白振弹簧的振 动的传播也会带动周围的管程流体的振动，加大了流体的扰动，而流体 的螺旋流动及其产生的漩涡又会促进白振弹簧的振动，这种相互作用会 减薄层流层厚度，加强管中流体对流，达到强化传热的效果。其强化传 热的效果与振动的幅度、振动的频率、波速有关。由于，自振弹簧的振 动强度、频率主要受管程流体冲击的影响，而振动的传播与振源无关， 所以，下文着重分析振动传播的速度。 2 2 2 自振弹簧的轴向波速 对于由自振弹簧组成的力学系统，若沿自振弹簧轴向截取微段，如 图2 3 所示，忽略其它因素的影响，只考虑自振弹簧扭转变形所产生的沿 轴向的形变 4 0 1 ： 武汉工程大学硕士学位论文 i 乙 d x a x a x - 7 图2 - 3 目振弹簧微元受力分析 f i g 2 - 3f o r c ea n a l y s i sd i a g r a mo fs e l f - v i b r a t i n gs p r i n g ( f + 哥肚蟾p s d x a 2 - - 兰u 上式m 中： u ( x ，f ) 一自振弹簧轴向变形： f ( x ，) 一自振弹簧丝径截面上的合力； 一自振弹簧螺旋角； s 一自振弹簧丝径横截面积。 由力学知识： f 里：g i 堂塑 j z d | 2 乱 上式中： ，一白振弹簧丝径截面极惯性矩，即： ，：丝 3 2 由式( 2 2 ) ( 2 3 ) 得： 昙( 罟蟾静筹皋 整理得： 茄蝴窘= 窘 由( 2 5 ) 式可知波沿自振弹簧轴向传播速度为： 归捞绑= 携吾馆 上式中： p 一为自振弹簧丝径的密度； ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 第二章内插自振弹簧换热管工作原理及试验装置 d 白振弹簧的中径。 对于几何参数已定的自振弹簧的丝径d 、圈径d 、螺旋角均为定值， 所以波动沿自振弹簧轴向传播的速度d 与对自振弹簧的丝径d 、圈径d 、 螺旋角均有关系。 2 2 3 内插自振弹簧换热管的工作机理 如图2 4 所示，它的工作原理是：换热器运行时，管程流体通过封头 进入管程后，管程流体流动时由于内插自振弹簧的阻挡、引导就会发生 旋转，流体绕过自振弹簧时会产生的漩涡，随着管程流速的增加漩涡将 在弹簧后脱离，形成对称的反向漩涡，并随着流速的增大不断长大，当 流速增大到某一值时( r e 大约为4 6 时) ，脱体漩涡就不在对称，而是周期 性的以交替方式离开自振弹簧表面，使其表面产生周期性变化的阻力和 升力，导致自振弹簧的振动。振动又会引起新的漩涡出现，振动和涡流 的共同作用，使管内流路改变，出现螺旋流动的流体，且在靠近自振弹 簧的区域内形成涡流，这些都对管程流体的阻力与传热有影响。 l 、4 一弹簧支撑件；2 一内插自振弹簧；3 换热管 图2 4 内插自振弹簧换热管结构 f i g 2 - 4t h e s t r u c t u r eo fb u i l t - i ns e l f - v i b r a t i n gs p r i n gh e a te x c h a n g et u b e 2 3 试验装置 该试验装置是一个卧式管壳式换热器，如图2 5 所示。该设备换热管 采用2 5 x18 0 0 m m 、有效长度为1 8 0 0 m m 的无缝钢管。管程介质为6 0 的 热水，热水由加热锅炉产生，水流自左而右通过管程。在管内可插入不 同规格的自振弹簧；壳程为介质为2 5 的冷水( 试验是夏天7 、8 月进行 的) ，水流自右而左通过壳程。换热器壳体上包有保温材料，具有较好的 温水回 控制在 壳程走 量接近 心泵直 度用温 水进口 温度和流量保持恒定下，分别测试在壳程不同流量下流阻与传热试验的 各参数值。 第 l 一加热锅炉2 _ 离心泵3 一阀门4 一电磁流量计5 一水箱6 一电磁流量计7 一冷流体入口8 一 温度测量仪9 一热流体出口1 0 一内插自振弹簧管换热器1 1 冷流体出口1 2 一热流体进口 1 3 一压力传感变送器 图2 - 6 试验装置流程图 f i g 2 - 6e x p e r i m e n t a le q u i p m e n td i a g r a m 2 5 试验设计 为了更全面的研究和探索内插白振弹簧换热管的性能，把试验分为 了阻力性能试验和传热性能试验两部分。其中，阻力性能试验是在通过 试验测出管程的流量和阻力压降，进而分析9 种不同几何参数内插自振 弹簧换热管和光管的阻力性能，及其影响因数。 传热性能试验是在管程温度接近6 0 。c 时，通过试验测出管程壳程的 流量、进出口温度，进而分析9 种不同几何参数自振弹簧换热管和光管 的传热性能，及其影响因数，并且得出9 种不同参数自振弹簧换热管的 传热性能准则公式。 2 6 本章小结 1 、选用9 种不同几何参数的拉伸螺旋弹簧作为内插自振弹簧，且 自己设计了弹簧悬架。 2 、分析了内插自振弹簧换热管强化传热的原理，并结合波动原理分 析了其振动的传播与自身参数有关。 3 、并把试验分为流动阻力特性试验和传热性能试验两部分，为后试 武汉工程大学硕士学位论文 验与模拟作准备。 第三章内插自振弹簧换热管管程流动与传热特性的数值模拟 第三章内插自振弹簧换热管管程流动与传热特性的数值模拟 数值模拟广泛应用于强化传热管的研究h 1 。5 2 1 。但在对内插物强化传 热的研究中，由于内插物结构各异、形式多样、不易建模的特点，数值模 拟应用较少。现对自振弹簧管程流动与传热特性进行模拟，以期对试验 章节提供依据。 3 1 数值模拟前的简化假设 在数值模拟前，由于计算资源的有限性，为了求解能够顺利进行， 并获得快速稳定的收敛解，必需在计算前做适当的简化和假设。 本章依据内插自振弹簧换热管管内传热和流动的特点，作了如下几 点简化和假设 4 7 1 ： ( 1 ) 由于本章研究的是内插自振弹簧换热管内流动时的传热与流动 特性，所以，认为管内流动为非稳态流动； ( 2 ) 由于管内流体流速不是很高，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，故可将水简化为不可压缩流体； ( 3 ) 内插自振弹簧换热管管内的流体流动有轴向流、径向流和周向 流，又因为自振弹簧自身的螺旋结构特点，所以，必需假设管内流动为 三维流动，若简化为二维轴对称流动，则会很大程度上影响管内流场分 布及流动状况的真实性，对的传热效果的分析会有很大的影响； ( 4 ) 忽略管内流体质量力。 3 2 几何模型 本章数值模拟所用的内插自振弹簧换热管与第二章试验中所使用的 内插自振弹簧换热管结构和材料基本相同。换热管直径d o = 2 5 m m ，壁厚 万：0 8 m m 。此外，按照实际模型的结构，在建立内插自振弹簧换热管几 足以下几个控制方程h 7 l ： 质量守恒方程o 锄u + 万a v + a 昆w = 。 x 方向的动量守恒方程：p 面d u = 如+ 警+ 等+ 誓 立 情 在 b i t 建 并 管 模 满 ( 3 - 1 ) ( 3 2 ) 第三章内插自振弹簧换热管管程流动与传热特性的数值模拟 y 方向的动量守恒方程：户_ - d v ：p f b y + 墼+ 墼+ 墼 ( 3 3 ) d t o x 卯o z z 方向的动量守恒方程：p i d w ：腿+ 冬+ 里窑+ 里 ( 3 4 ) 式中：、吒分别是单位质量流体上的质量力在三个方向上的 分量；如是流体内应力张量的分量。 能量守恒方程： 肛施罢+ v 等+ w 瓦o t ) = + k 矿a 2 t + 矿a 2 t + 万0 2 t ) ( 3 5 ) 本试验中管程流动都在完全湍流区，由于标准k s 湍流模型只适合 完全湍流的流动过程模拟，因而，湍流模型采用标准k s 湍流模型： p 型a x i = 考丝o k ) 1 堕a x jj i + g t - 伊 。6 p 掣= 专尝) 考卜。 g t ；p 2 o - 7 上式中k 为湍动能，g 为湍流耗散率，g 为由平均速度梯度引起的湍 动能七的产生项，瓯为由浮力7 1 起的湍动能后的产生项，为液相速度分 量，m s ；鸬为湍流粘性系数，鸬= p c u k 2 e ；吼和分别是与湍动能七 和耗散率对应的普朗特准数，0 - k = o 0 2 2 5 ，0 8 = o 0 0 7 9 2 ；巳，q f ，c 2 。为经 验常数，其值分别是：巳= 0 0 9 ，c 1 暑= 1 4 4 ，= 1 9 2 m 。 3 4 网格研究 用c f d 数值计算前，需要将控制方程组在计算模型上进行离散，然 后求解得到离散方程组。要想实现在计算模型上离散控制方程，网格的 划分必不可少，随着c f d 数值技术的完善，以及计算机硬件的发展，现 已发展出多种对各种计算模型进行离散以生成网格的方法，即网格生成 技术【4 8 1 。不同的问题采用不同的数值解法，所需要的网格类型、划分方 式也有很大区别，但生成网格的思想基本是一致的。目前网格分为结构 网格和非结构网格两大类【4 引。 三维网格的划分较二维网格更为困难，g a m b i t 中现使用的三维模型 武汉工程大学硕士学位论文 的网格有六面体网格、四面体网格、锥形网格、楔形网格【4 9 】。本课题中 的自振弹簧具有端面小且弹簧自由高度较长的结构特点尺寸，再加弹簧 的螺旋结构，这都给网格的划分带来困难。反复尝试得出：弹簧网格类 型选用t e t h y b i r d ，即弹簧模型中包括四面体网格但特殊位置包含六面体、 锥形、楔形网格，划分方式选用c o o p e r 方式。而对于换热管中挖去自振 弹簧后所剩的流体流动区域，由于换热管内管面为较规整的曲面而挖去 自振弹簧的面为复杂、扭曲的螺旋面，只能选取六面体网格，在网格的 划分上，反复尝试后只能全用s t a i rs t e p ，即生成一个与原始流动区域相 近的比较平滑的三维流动区域。图3 2 是g a m b i t 中最终生成的局部计算 网格图。 3 5 边界条件 图3 - 2 局部计算网格 f i g 3 - 2t h ep a r to fc o m p u t i n gg r i d 3 5 1 入口边界 ( 1 ) 入口速度边界： 定义入口为速度入口边界，在内插自振弹簧换热管入口处的y 方向 ( 轴向) 施加速度分量，x 、z 方向( 径向、周向) 速度分量为零。其中 轴向速度大小甜在0 7 m s 一2 8 m s 之间变化，则对应的入口雷诺数由公式 ( 3 8 ) 确定【5 3 】： r e ：p u d ,( 3 - 8 ) p 上式中：吐内插白振弹簧换热管当量直径，m ； 第三章内插自振弹簧换热管管程流动与传热特性的数值模拟 也可用式( 3 - 9 ) 来计算5 3 】