（化工过程机械专业论文）管壳式换热器脉冲流动传热数值模拟和实验研究.pdf

t 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 d e x p e r i m e n t a l r e s e a r c h0 9 h e a tt r a n s f e ro fs h e l l a n d t u b ei nf l u i dp u l s a t i o nf l o w 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 ：w a n g w e i s u p e r v i s o r ：y uj i u y a n g y a n gx i a 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 r c h i n a m a y 2 0 1 0 摘要 摘要 目前，能源问题成为制约人类发展的根本原因，发展节能减排技术 将越来越迫切的被要求。各国学者都尝试用各种方法来提高能源利用率， 脉冲流传热就是一种重要方法。 本文在层流脉冲流条件下，首先对圆管和波节管管壳式换热器管程 和壳程脉冲传热进行了数值模拟计算，研究脉冲流动对圆管和波节管换 热器强化换热的效果，并讨论脉冲系数对强化换热系数的影响，然后建 立实验平台，进行了实验研究，对比实验和数值计算的结果，得出最终 结论。 在恒温层流条件下，脉冲流动对圆管管程没有强化换热作用，但其 瞬间压力和努塞尔数等都作周期波动，且平均值等于相应条件下稳态流 的对应值，周期相等，都等于脉冲流的周期；不论是圆管还是波节管， 脉冲流对壳式换热器壳程传热都没有任何作用，既不能强化换热也不能 弱化换热。 脉冲流动对波节管管程有较好的强化换热作用，与稳定流动相比脉 冲流能显著提高波节管传热效率，最大可提高8 3 ，并且脉冲流强化换热 效果与脉冲流的脉冲频率和脉冲振幅有关，对于本文型号波节管脉冲强 化传热最佳周期变化频率为1 0 0 w 2 0 0 h z ；最佳振幅a 为o 4 a o 6 。 关键词：脉冲流强化换热波节管数值模拟实验研究 武汉i ：程人学硕十学位论文 i l a b s t r a c t n o w a d a y s ，t h ee n e r g yc r i s i si s b e c o m i n gm o r ea n dm o r es e r i o u s d e v e j o p m e n to fe n e 唧s a v i n gt e c h n o l o g i e sw i l lb e d e m a n d i n g s c h 0 1 a r sf r o m d 1 弛r e n tc o u n t r i e st r i e dt ou s ev a r i o u sm e t h o d s t oi m p r o v ee n e r g ye f f i c i e n c y p u l s eo fh e a tt r a n s f e ri so n eo ft h ei m p o r t a n tm e t h o d s 1 nt h l sp a p 既a tt h el a m i n a rp u l s a t i n gf l o w c o n d i t i o n s ，t u b ea n ds h e l l s l d e so fh e a t e x c h a n g e r sw e r en u m e r i c a l l ys i m u l a t e dw i t hd i 艉r e n tt u b e m o r m 引t u b ea n dc o r r u 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 to f n o 瑚a 1t u b e a n dc o 咖g a t e dt u b ei n p u l s a t i n gf l o ww a ss t u d i e da n dt h er e l a t i o n s h i po f p u l s ec o e 行1 c l e n ta n de n h a n c e dh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n tw a s a n a l y s e d t h e e s t a b l l s h m e n to fe x p e r i m e n t a lp l a t f o r ma n de ) 叩e r i m e n tr e s e a r c h a r ec a r d e d o u ti no r d e rt oc o m p a r e e x p e r i m e n t a la n dh u m e r i c a lr e s u l t s a tl a m m a rf l o wa n dc o n s t a n tt e m p e r a t u r e c o n d i t i o n s ，p u l s a t i n gf l o wi n n o n n a lt u b e s i d ec a n n o t e n h a n c et h e e f f e c to fh e a t t r a n s f e r b o t h 1 n s t a n 协e o u sp r e s s u r ea n d n u s s e l tn u m b e ra r e c y c l i c a lf l u c t u a t i o n s h o w e v e r t n ea v e r a g ei s e q u a lt ot h ec o r r e s p o n d i n gs t e a d yf l o wv a l u e ，a n dc y c l e sa r e e q u a lt ot h ec y c l ep u l s a t i n gf l o w w h e t h e rn o r m a lt u b eo rc o 咖g a t e d 劬e ， p u l s a t i n gf l o wc a n n o te n h a n c eh e a tt r a n s f e ro f s h e l ls i d eo fh e a t e x c h a n g e r b yc 。m p a r i n gw i t ht h es t e a d yf l o w ，t h e p u l s a t i n gf l o wi n c r e a s e st h eh e a t t 姗s f e re f f i c i e n c y 。f t h e c 。r r u g a t e dt u b ei nl a m i n a rf l 。wb y8 3 向r m o s t t h ee f f e c to f p u l s a t i n gf l o wh e a t t r a n s f e re n h a n c e m e n th a sr e l a t i o nw i t l l p u l s ef r e q u e n c ya n d a m p l i t u d e i no u rs t u d y , t h eb e s td i m e n s i o n l e s s p u l s a t i n g f r e q u e n c i e so f t h ec o r r u g a t e dt u b ea r e 0 4 o 6 10 0 2 0 0h za n d t h ea m p l i t u d e sa r e ffjifjjjijjliiiiiiiiiiliiii 武汉- l = 程大学硕士学位论文 k e yw o r d ：p u l s a t i n gf l o w h e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t c o r r u g a t e dt u b e n u m e r i c a ls i m u l a t i o n e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h i v 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 目录v 第1 章绪论l 1 1 选题背景和意义1 1 2 强化传热的途径和分类1 1 2 1 增大平均传热温差强化换热一2 1 2 2 增加换热面积以强化换热2 1 2 3 提高传热系数3 1 3 强化技术的分类3 1 4 脉冲流传热研究现状4 1 5 流体力学与数值模拟技术的发展及应用8 1 6f l u n e t 的基本介绍1o 1 7 论文研究的主要内容l l 第2 章圆管脉冲流强化传热特性的数值模拟1 3 2 1 管程计算模型1 3 2 1 1 几何模型13 2 1 2 研究简化假设1 4 2 1 3 控制方程1 4 2 1 4 网格划分l5 2 2 边界条件：l5 2 2 1 入口边界15 2 2 2 出口边界。l6 2 2 3 壁面边界和对称边界16 v 武汉i ：程人学硕士学位论文 2 2 4 计算方法l6 2 - 3 管程脉冲传热结果分析与讨论17 2 3 1 压力波动17 2 3 2 努赛尔数的分布l8 2 4 圆管壳程脉冲流数值模拟19 2 4 1 几何模型2 0 2 4 2 网格划分2l 2 4 3 边界条件21 2 4 4 计算方法2 2 2 5 壳程脉冲流作用结果分析2 3 2 5 1 压力波动。2 3 2 5 2 努塞尔数的分布2 5 2 5 小结2 6 第3 章波节管脉冲流强化传热特性的数值模拟2 7 3 1 波节管管程计算模型。2 7 3 1 1 波节管几何模型。2 7 3 1 2 网格划分2 8 3 1 3 边界条件。2 9 3 1 4 计算方法2 9 3 2 强化系数3 0 3 3 波节管管程脉冲传热结果分析与讨论3 0 3 3 1 压力波动3 0 3 3 2 流函数分布3l 3 3 3 时均径向温度分布3 2 3 3 4 速度矢量分布3 3 3 3 5 强化传热系数分析3 5 3 4 波节管壳程脉冲流数值模拟3 7 v i 目录 3 4 1 几何模型3 8 3 4 2 网格划分3 9 3 4 3 边界条件3 9 3 5 波节管壳程换热性能分析4 0 3 5 1 压力波动4 0 3 5 2 努塞尔数的分布4 2 3 6 结论4 3 第4 章换热管脉冲强化传热实验研究4 5 4 1 实验目的4 5 4 2 脉冲流发生器4 5 4 2 1 电机式脉冲流发生器4 5 4 2 2 插入式脉冲流发生器4 7 j 4 2 3 脉冲流发生器的选择5 0 4 3 实验方案和其它设备5 0 矗 4 3 1 实验段设备5 3 4 3 2 热水回路5 4 。 4 3 3 冷水回路5 5 4 3 4 数据测量5 5 4 4 实验步骤5 6 4 5 实验结果分析5 8 4 5 1 实验数据处理5 8 4 5 2 管程传热分析6 0 4 5 3 壳程传热分析6l 4 6 实验的误差分析j 6 3 4 7 本章小结6 4 第5 章结论和建议。6 5 5 1 结论6 5 v i i 武汉工程人学硕十学位论文 5 2 展望6 6 参考文献6 7 攻读硕士学位期间发表的学术论文与专利7 3 附录：部分实验数据7 5 致谢7 9 第1 章绪论 1 1 选题背景和意义 第1 章绪论 本课题来源于国家自然科学基金( n o 5 0 9 7 6 0 8 0 ) 列管式换热器 流体诱导振动强化换热研究。项目研究内容包括：脉冲流对不同形式换 热器管程和壳程的换热性能的影响；脉冲流诱导振动对换热器换热强化 作用；脉冲流对长期生产的换热器污垢的去除效果。目的是分析换热器 的脉冲传热综合强化传热机理，提高换热器的换热效果，提出新型高效 的换热元件。本文就第一部分的内容进行研究。 如今能源问题被认为是制约人类发展所要面临的重大课题，世界各 国意识到高效利用能源、节约能源的重要性和严峻性。特别是现在全球 石油储备不断消耗，原油价格不断攀升，把能源问题推到了历史的最高 点。节约能源、高效利用能源将决定着社会的发展【1 1 。由此可见，研究各 种强化换热技术，提高换热效率，不仅是现代工业发展必须解决的课题， 而且是全人类共同发展和社会进步所必须重点解决的问题。 换热器作为化工、石油、制药及能源等行业中重要的单元设备，在 整个工业中起着非常重要的作用。据统计，在热电厂中，换热器的投资 约占整个电厂总投资的7 0 ，在一般化工企业中，换热器的投资要占全 部投资的4 0 一5 0 ，在现代化化工企业中约占2 0 一3 0 t 2 1 。因此，换 热器强化传热技术的研究始终是人们关注的课题。 1 2 强化传热的途径和分类 关于强化换热的机理，许多文献都作了阐述，换热的基本计算式为： q = k a a t 式中k 传热系数，w ( m 2 k ) ； 武汉l ：程人学硕士学位论文 a 换热面积，m 2 ； ，拎热流体的平均换热温差，k 。 根据换热的基本公式可知，要想增加换热量q 有三种途径，即：增 大平均换热温差、增加换热的面积和提高换热系数。以下从这三方面分 别论述1 3 1 。 1 2 1增大平均传热温差强化换热 增大平均换热温差的方法有两种。一种是在冷流体和热流体的进出 口温度一定时，通常改变换热面的布置来改变平均换热温差。另一种是 增大冷、热流体进出口温度的差别以增大换热温差，这样虽然能增大平 均换热温差，但是由于受到受热材料物理性质和实际工作条件的限制， 平均换热温差不可能太大，况且有时换热器中的平均换热温差是给定的， 这样就不能再增加换热温差来强化换热了，即换热平均温差的增加是很 有限的。 另外由于平均换热温差的增加会造成很大的熵的损失，所以往往是 尽量减少平均换热温差。 1 2 2 增加换热面积以强化换热 增加换热面积是研究最多的一种强化换热方法，也是一种很有效的 强化换热途径，特别是对于像空气这样的低普朗特数流体，其强化换热 效果特别好。 增加换热面积的方法比较多。采用小管径和扩展表面换热面积均可 增加换热面积。管径越小，在相同的金属质量下，总表面积越大。扩展 表面换热面积主要是在换热表面上加肋，比如肋片管。像波节管虽然增 加一定的换热面积，但增加得很少，它们主要是用来加强对流体的扰动。 第1 章绪论 所以一般计算换热面积时还是以光滑管的换热面为准。还有在一些新型 紧凑式换热器中，诸如板式和板肋式换热器中，布置在单位体积中的换 热面要比管壳式换热器中多很多，这也可以增加单位体积的换热面积。 1 2 3 提高传热系数 提高换热面积和平均换热温差往往受到各方面条件的限制，不可能 有太大的变化，所以提高换热器的传热系数是强化换热研究的重点 工程中的换热设备大多数是表面式换热器，表面式换热器稳定换热 时的换热方程式： 传热系数k 由下式确定： 11万1 k 口。k 式中，q 热流体与管壁之间的换热系数，口：冷流体与管壁之间的换热 系数，万一管壁厚度，k 管子材料导热系数。由于管子金属材料导热系数 很大，管壁厚度较薄，所以上式中的8 k 可以忽略不计。因而，提高传热 系数k 可从提高管子两侧的换热系数和口：入手，尤其要强化管子两侧 中换热较差一侧的换热系数，以取得较好的强化换热效果。提高传热系 数的方法很多，本文介绍的脉冲流强化换热就是通过提高传热系数来实 现强化换热的一种方法【4 】o 1 3 强化技术的分类 强化换热可分为有功( 主动) 强化和无功( 被动) 强化两类。有源 强化换热技术需要应用外部能量来达到强化换热的目的；无源强化换热 技术则无需应用外部能量。 有源强化包括：机械强化法、振动强化法、e h d 技术和抽压法。 无源强化包括：表面特殊处理法、粗糙表面法、扩展表面法、装置 武汉l ：稗人学硕士学位论文 强化元件法和加入扰动流体法1 5 1 。 本文中介绍的稳态流波节管换热是无源强化换热，而脉冲流换热， 从目前实验来看，还是属于有源强化技术。利用流体本身的性质产生脉 冲流，获得无源强化技术是我们课题组努力的方向。 强化换热技术还可从其他角度进行分类，如下所述。从被强化的换 热过程来分，可分为导热过程的强化、单相对流换热过程的强化、沸腾 换热过程的强化、凝结换热过程的强化和辐射换热过程的强化1 6 。 上述强化换热技术也可综合应用，以得到较好的强化换热效果。这 种强化换热技术成为复合强化技术。 1 4 脉冲流传热研究现状 脉冲流是指按照一定规律如正( 余) 弦周期变化流动的流体。脉冲 换热就是利用脉冲流来代替稳态流，获得新的换热效果的换热手段。各 国专家、学者都在脉冲流方面做了大量的研究。 1 9 2 9 年，r i c h a r d s o n t 7 】等使用热线风速仪测量了管内稳态流和脉动流 的速度，并在此基础上通过对管内横截面上平均速度梯度的理论值和测 量值的比较，最终发现脉动流速度的“环形效应”，即最大速度在靠近 管壁处而不是在管中心：随后，u c h i d a t 8 】等对等壁温边界条件下直通道内 脉冲流动的速度分布进行理论推导，得出速度分布的解析解，证明速度 环效应口d e n i s o n t 9 】等利用实验定量测量了当雷诺数在10 0 0 左右， 4 r o ( c o v ) 2 2 0 0 0 时，最大有4 4 的强化当r e l o 。时，换热得到强化；否则会弱化换热。其中 l i e p s c h 提出一种物理模型关于均一流在振动的圆柱体外部绕流的情况， 并给出流动形态和雷诺数，比较用所得的n u s s e l t 数和非脉动状态下的情 况数。 h m c h o 2 4 1 等应用有限差分法计算出管内层流脉动换热n u s s e l t 数和 沿程阻力系数的数值解，提出了层流脉动换热对应的边界层方程，并通 过分析脉动换热中脉动频率和脉动振幅这两大因素及速度边界层和时均 n u s s e l t 数之间的关系，给出了一些有价值的结论。 在国内清华大学李志信教授和愈接成博士【2 5 2 7 】运用场协同原理解释 了环形内肋片圆管使层流脉动流强化换热的原因；同时研究了平板通道 振荡流动强化轴向导热，取得脉动流动的介质能够提高导热能力以及温 度分布存在环形效应的结论。 西安交通大学何雅玲教授和杨卫卫硕士生等2 妣9 1 通过对脉动流通过 周期性变化波纹矩形通道进行模拟，验证周期性变化几何结构通道壁面 可提高层流脉动换热效果；并对平直通道层流脉动流进行数值模拟，取 得一些结论。 尽管大量学者对脉冲流动对流换热问题进行了长期的研究，但从以 第1 章绪论 上相应的文献来看直到现在脉冲流动对换热的影响还没有一致的结论。 但越来越多的学者开始在特定的设备中加入脉冲流，来测试和观察脉冲 传热效果。 k c l e o n g 3 0 - 3 2 1 等为了探索脉动换热技术在微电子散热方面的可行 性，实验研究了对脉动空气通过金属多孔介质的特性，得到了多孔金属 中脉动换热的特性，并提出了相关的准则方程。 z h u 和c h i n gh w a n g 3 3 】正是采用了脉动换热这种技术，解决了微电子 散热问题，并申请美国台湾“脉动换热设备”专利。该发明采用小尺寸活 塞式脉动发生器原理产生脉冲流达到脉冲流强化换热效果解决小空间高 热量工况的强化冷却。 山东大学程琳教授 3 4 - 3 6 1 等研制了一种通过流体和发生器之间互相作 用实现脉动激励的装置，这是一种特殊的脉动激励装置一弹性管束，从 发生原理上属于边界激励法。当应用于换热器中时，其通过弹性管束的 振动作用完成工质水和弹性管壁之间的脉动强化换热，与此同时的振动 作用清除了换热器中的污垢，最终实现复合强化换热。 郭烈锦教授和冯自平博士等【3 7 l 采用系统的实验方法对螺旋管内的湍 流两相脉动流换热问题进行研究，分析总结得到了压力特性、换热特性 以及两相流脉动换热的准则方程，这些结论是国内外两相流脉动换热研 究少有的。 浙江工业大学钟英杰等【3 黏4 0 l 在均匀壁温边界条件下对湍流条件下圆 管进行实验研究，得到脉冲流有一定强化效果，并且脉冲流振动频率在 。一_ 2 0 h z 以下和8 0 - - 1 0 0 h z 两个频率区间内脉冲作用强化换热效果最 佳；同时还研制了自激励脉动燃油锅炉，通过脉冲流的作用，换热效率 可提高3 0 以上： 同时换热器中积垢对换热系数的影响有时是决定性的。2 0 0 7 年田茂 诚等【4 l 】对振动条件下热管污垢生长过程进行了实验研究，实验表明污垢 热阻渐进值随振动升高呈指数下降，分析后认为，振动时换热管表面流 武汉上程人学硕士学位论文 场变化导致垢层剪切力增加、剪切力方向交替变化、振动造成的附加惯 性力是导致污垢热阻渐近值降低的主要原因，这个结论当前还没有得到 研究证实，但预示了换热器中利用脉冲流流体流动诱导振动去除污垢的 可能性。 而在产生脉冲流的脉冲流发生器，各国学者也做了尝试和研究。总 结文献，对稳态流动进行脉动激励的方法主要有三种：流体扰动( 通过开 闭阀、蝶阀、伺服阀实现) ，往复式活塞运动( 通过凸轮、曲柄一滑块、 止转扼机构实现) ，空气脉动技术( 仅用于液体的脉动激励) 。其中，重庆 大学曾丹等 4 2 - 4 3 】教授研制出一种自激励振荡腔，这是一种无源脉动发生 器。他们不仅对其作用水流后的脉动换热特性进行了实验研究和数值模 拟，而且分析了这种特殊的脉动发生器的几何尺寸与强化换热之间的关 系，获得一定的成绩。武汉工程大学喻九阳等 4 4 - 4 6 】研制的脉冲流发生器， 利用外界电源，产生功率较大的脉冲流，做了大量相关方法的研究。 这些方法概括了脉动流的生成机理和工程实现过程，为脉动流强化 技术的工程应用和推广提供了理论基础。 1 5 流体力学与数值模拟技术的发展及应用 计算流体力学是以理论流体力学和计算数学为基础的一门学科，主 要研究把描述流体运动的连续介质数学模型离散成大型代数方程组，建 立可在计算机上求解的算法。随着计算机技术硬件设备的不断提高和计 算流体力学c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 及计算传热学的蓬勃发 展，数值模拟计算作为一种研究方法越来越多的被广大学者使用。采用 数值模拟的方法对换热器换热性能的研究己成为一种最为常用的研究手 段。 数值模拟的数值方法一般有：有限差分方法( f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ， f d m ) 、有限元方法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，f e m ) 和有限体积法( f i n i t e v o l u m em e t h o d f v m ) 【4 7 1 。 第1 章绪论 ( 1 ) 有限差分方法。有限差分方法是计算机采用最早的数值模拟方 法，至今仍被广泛使用。有限差分方法就是将求解域划分为有限个差分 网格，用有限的网格节点代替连续的求解域。有限差分法是以t a y l o r 级 数展开等方法，把控制方程中的导数用网格节点上的函数值的差商代替 进行离散，从而建立以网格节点上的值为未知数的代数方程组。该方法 是一种直接将微分问题变为代数问题的近似数值解法，数学概念直观， 表达简单，是发展较早且比较成熟的数值方法【4 8 1 。 、 ( 2 ) 有限元方法。有限元方法的基础是变分原理和加权余量法，其 基本求解思想是把计算域划分为有限个互不重叠的单元，在每个单元内， 选择一些合适的节点作为求解函数的插值点，将微分方程中的变量改写 成由各变量或其导数的节点值与所选用的插值函数组成的线性表达式， 借助于变分原理或加权余量法，将微分方程离散求解。采用不同的权函 数和插值函数形式，便构成不同的有限元方法。有限元方法最早应用于 结构力学，后来随着计算机的发展逐渐用于流体力学的数值模拟f 4 9 】。 ( 3 ) 有限体积法。其基本思路是将求解域划分为一系列不重复的控制体 积，且使得每个网格点周围有一个控制体积，然后将待求解的微分方程 对每一个控制体积积分，便得出一组离散方程。其中的未知数是网格点 上的因变量的数值。为了求出控制体积的积分，必须假定值在网格点之 间的变化规律，即型线。常用型线有分段线性分布和阶梯式分布。有限 体积法的基本思路易于理解，并能得出直接的物理解释。而且有限体积 法即使在粗网络情况下，也显示出准确的积分守恒，适于流体计算，可 以应用于不规则网格，适于并行。大量学者运用有限体积法对工程问题 进行了研究，证明了这种方法的正确性和实用性【5 0 4 3 1 。本课题主要是研 究在脉冲流作用下，换热器管程和壳程流场和温度场的分布，故选用基 于有限体积法开发的计算软件f l u e n t ，对换热器进行模拟计算。 黔 舀 。， 。7 ： 武汉1 ：群人学硕十学位论文 1 6f l u n e t 的基本介绍 f l u n e t 是目前功能最广泛、适用性最广、最全面的商用c f d 软件 包。f l u n e t 具有多样的数值算法、丰富的物理模型，适用于各种涉及 流体、传热及化学反应等工程问题。 f l u e n t 在模拟计算时主要分为前处理、数值计算和后处理三个步 骤。其中前处理主要包括几何模型构建和计算网格划分。在建立几何模 型时，一般使用f l u e n t 自带的模型生成软件g a m b i t 建立模型。对于 复杂的模拟的构建也可借助于如：c a d 、p r o e n g i n e e r 、u g 等专门绘图 软件；在模拟计算时，计算速度和精度主要受网格质量控制，有关网格 生成技术的研究一直以来都是c f d 数值模拟研究的热点，f l u e n t 可提 供灵活的网格特性，支持多种网格。用户可以自由选择使用结构化或者 非结构化网格来划分复杂的几何区域，例如在二维问题上支持四边形网 格和三角形网格；针对三维问题支持四面体、六面体、凌锥等网格。同 时，用户也可以利用f l u e n t 提供的网格白适应特性在求解过程中根据 所获得的计算结果来优化网格。 数值计算主要包括边界条件的定义、计算模型和求解器的选择、迭 代计算等部分。f l u e n t 可让用户定义多种边界条件，允许所有的边界 条件随空间和时间变化，包括轴对称和周期变化。提供用户自定义子程 序功能，可让用户自行设定连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程 或组分输运方程中的体积源项、白定义初始条件、流体物性、边界条件、 添加新的标量方程和多孔介质模型等。同时，f l u e n t 提供了用户编程 接口( u d f ) ，运行用户可以在f l u e n t 的基础上定制、控制相关的输入 输出，进行二次开发，其中，本文数值模拟时，脉冲流输入就是通过自 己编写的小程序，嵌入f l u e n t 定义流体输入。 后处理就是将模拟计算的最终结果以曲线、云图或动画等方式表达 出来，以方便比较不同结构和不同操作条件下各种参数的变化规律，对 第1 章绪论 计算结果的可靠性做出确切评估。对于结构优化设计以及新产品开发方 面的研究，将后处理结果反馈到上一级计算过程，改变结构参数或操作 条件等变量做重复性计算，通过前后计算结果的进一步处理对比，并结 合少量的实验验证，可以减少设计过程中大量人力物力的消耗，提高效 率。随着计算机可视化技术的发展，利用图像成形技术显示不同状态下 各种物理场分布变化规律，可以帮助研究人员加深对所研究问题的感性 认识，并且借助c f d 方法对流场微观信息的研究更有助于人们了解深层 次的流动现象，促进计算流体力学研究向更高境界发展。 1 7 论文研究的主要内容 本课题研究的内容主要包括： ( 1 ) 圆管换热器数值模拟研究 建立合理的数值模型，对圆管换热器管程和壳程进行数值模拟计算， 分析脉冲流是否有强化换热效果。 ( 2 ) 波节管换热器数值模拟研究 分别对波节管换热器管程和壳程进行数值模拟计算，确定脉冲流对 波节管管程和壳程是否有强化换热效果。揭示脉冲流对波节管的强化传 热机理，并研究不同脉冲振动频率和振幅的条件下脉冲流波节管强化换 热系数变化，获得脉冲强化换热最佳脉冲振动频率和振幅。 ( 3 ) 圆管和波节管换热器实验研究 制造圆直管换热器和波节管换热器，分别将脉冲流通入管、壳程， 进行传热性能实验研究，得到脉冲传热的特性和规律。 武汉i ：程人学硕十学位论文 1 2 第2 章圆管脉冲流强化传热特性的数值模拟 第2 章圆管脉冲流强化传热特性的数值模拟 数值模拟方法为换热器传热性能的研究提供了一种简便易行的手 段，是研究流体流动和传热最常见的方法。通过数值模拟可以获得工程 设计具有指导意义的物理结果。数值模拟作为流体力学和传热学中基本 研究方法，具有耗时少、时间短、省力、灵活、便于优化设计等特点。 本章将对工程中使用最为广泛的圆管进行研究。本文采用f l u e n t 商业计算流体软件对圆管换热器的管程和壳程脉冲流动对流换热现象进 行数值分析，研究脉冲流是否强化换热，分析脉冲流动参数对换热的影 响。为了便于计算分析，在计算中将通过在入口处设定以正弦变化的速 度来实现脉冲流动。 2 1 管程计算模型 2 1 1 几何模型 本章数值模拟所用的圆管与第五章实验中所使用的圆管结构、尺寸 和材料均相同。建立模型时，取圆管长度为l = 1 8 2 0 m m ，d = 1 9 m m ，如图 2 。1 所示。图2 - 1 即为本章数值模拟时建立的圆管的几何模型。 量 j l皇 r - - , , 4 i i q l - 12 图2 1 圆管示意图一 武汉i ：程人学硕十学位论文 2 1 2 研究简化假设 在数值模拟的过程中，在确保计算正确的同时应最大限度地利用有 限的计算资源进行求解，获得稳定快速的收敛解，因此通常需要在分析 前作一些适当的简化和假设。 本章根据换热器传热和流动的特点，作了如下简化和假设： ( 1 ) 由于工质为水，且温度不高，流速不大，可将流动介质视为不可 压缩流体； ( 2 ) 圆管内的流动以轴向和径向为主，周向流动的影响很小，因此可 近似假设管内流动为二维轴对称流动，这样既可保证管内流场分布及温 度场分布的准确性同时可以大大减少数值计算的工作量； ( 3 ) 在数值计算中，采用恒壁温对流传热模型，壁面厚度对管内流场 和温度场的计算均无影响，故建模忽略壁面厚度； ( 4 ) 忽略流体质量力。 2 1 3 控制方程 在佰卡尔二维正爻坐标糸f ，流体在霄程中流动和热量传递必须满 足以下几个控制方程 5 4 1 ： 质量守恒方程娑+ 窑：0 ( 2 1 ) 戗 c w x 方向的动量守恒方程户 瓦0 u + v 考) = 一挈0 3 ：+ ( 鲁o x + 窘) ( 2 - 2 ) 甜 卯 一 卯一 y 方向的动量守恒方程 p 塞+ v 考) = 一挈0 3 , + ( 鲁o x + ( 2 3 ) 优 卵 一 咖 能量守恒方程p c p ( 甜娶+ v 娶) = + k ( 窑+ 窘) ( 2 - 4 ) o x o r o x 一 们。 式中：u 、v 分别为x 、y 方向的速度分量，m s ；重力影响可以忽略不 第2 章圆管脉冲流强化传热特性的数值模拟 计；q 为定压热容，j ( k g k ) ；为流体粘度，p a s ；p 为流体密度，k g m 3 ； t ，为温度k ；p 为压力，p a 。 2 1 4 网格划分 数值模拟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，将近壁面网格加密；根据2 1 2 简化假设，选用二维轴对 称模型，对称轴为换热管中心轴( x 轴) 。通过多次设定计算，确定模型 最佳网格单元数为1 3 8 万个，单元类型为四边形网格单元，既能保证计 算结果的网格无关性，又能保证计算速度，局部网格图2 2 所示。 2 2 边界条件 2 2 1 入口边界 图2 - 2 圆管部分网格图 x 轴 ( 1 ) 入口速度边界：定义入1 2 类型为速度输入( v e l o c i t yi n l e t ) ，并通 过u d f 编译，输入正弦脉冲流如式( 2 5 ) ， v z = v f 1 + as i n ( 2 ；r w t ) ( 2 5 ) 式中：0 ，为瞬态入口流速( m s ) ，0 ，为相应的稳态入口流速( m s ) ， a 为脉冲信号的波动幅度，w 表示脉冲流周期变化频率( h z ) ，脉冲流的 波动可视为一种振荡信号，故后文中都简称a 、w 为振幅和振动频率。 武汉i ：程入学硕十学位论文 计算时，a = 0 1 、o 4 、o 7 、0 9 ，w 分别取5 0 ，1 0 0 ，2 0 0h z ；访取值范围为 0 0 1 o 0 5m s ，计算得到入口管内流体平均雷诺数为4 0 4 - - - 2 0 2 0 ，后面 计算设定时，简称为雷诺数。 ( 2 ) , , kn n 度边界：定义圆管入口流体温度为3 3 3 k ，水在管内的流 动，传热的深入，其温度会减少，这里忽略水的物理性质随温度变化， 近似认为水的物性恒定，水的物性见表2 1 。 密度p ( k g l m 3 ) 比热容 导热系数名 粘度( p a s ) ( u ( k g k ) ) ( 1 , g m 2 k ) 。 9 8 3 14 1 7 90 6 5 9 0 0 0 0 4 6 9 9 2 2 2 出口边界 表2 - 13 3 3 k 水的主要物性参数 本文将外界大气压设置为参考压力，因此设定圆管的出口边界条件 为压力出1 3 ( p r e s s u r eo u t l e t ) ，且设置出口相对压力为0 。 2 2 3 壁面边界和对称边界 设置圆管的壁面的边界类型为w a l l ，相对速度为0 ，且满足无渗透、 无滑移的静止刚性壁面要求，壁面温度恒定为2 9 3 k 。由于本章中近似 假定圆管的流动是二维轴对称流动，故此处设定的对称边界在对称轴 ( x 轴) 上。本文研究圆管管内恒温管壁条件下，脉冲流强化传热特性， 在计算中壁面视为厚度为零的固体壁面。 2 2 4 计算方法 利用有限体积法离散方程，非耦合的非定常隐式格式求解。采用标 准层流模型计算模拟管内层流时的传热和流动情况。计算时选用离散格 第2 章圆管脉冲流强化传热特性的数值模拟 式，压力与速度的耦合计算采用s i m p l e c 方法，压力采用s t a n d a r d ， 忽略重力的作用，对流项采用二阶迎风格式，定义收敛条件为残差绝对 值小于l 1 0 巧。 2 3 管程脉冲传热结果分析与讨论 2 3 1 压力波动 图2 3 a 表示当r e = 4 0 0 时，w = 5 0 ，a 分别为o 1 ，o 4 ，o 7 ，0 9 时， 圆管流体靠近出口中心处的点即( 1 8 0 0 ，o ) 的压力分布波动情况。由 图2 3 a 可见，当流体为脉冲流动时，出口压力随相位呈余弦变化。在 相同的雷诺数和振动频率条件下，振幅a 越大，压力波动越大。如在 a = 0 9 时出口压力波动幅度是a = 0 1 时的5 3 陪。 8 0 6 0 4 0 2 0 厶0 奋一2 0 - 4 0 - 6 0 - 8 0 相位( 。) ( a ) w = 5 0 0 武汉j ：程人学硕士学位论文 、 o _ 、- ， r 出 相位( 。) ( b ) a = 0 4 图2 3 压力波动图 图2 3 b 亦表示当r e = 8 6 0 时，a = 0 4 ，w 分别为5 0 ，1 0 0 ，2 0 0 h z 时， 圆管流体靠近出口中心处的点( 1 8 0 0 ，o ) 的压力分布波动情况。由图 2 3 b 可见，在相同的雷诺数和脉冲振幅条件下，随着振动频率的增大， 压力波动亦增大。例如在w = 2 0 0 时出口压力波动幅度是w = 5 0 的6 4 陪。 2 3 2 努赛尔数的分布 图2 4 a 、b 表示是当r e = 5 6 0 时圆管换热器出口中心处( 1 8 0 0 ，o ) 的瞬态努塞尔数在不同振动频率和振幅条件下波动。由图可知在脉冲流 作用下，瞬态努塞尔数也是余弦变化，波动周期与脉冲流的振动周期相 同；由图2 4 a 可见，在相同的雷诺数和脉冲振动频率条件下，振幅a 越大，瞬态努塞尔数波动越大。由图2 4 b 可见，在相同的雷诺数和脉 0 o o o 0 o o 5 0 5 5 o 5 掩 m 5 巧 m 垢 第2 章圆管脉冲流强化传热特性的数值模拟 冲振幅条件下，瞬态努赛尔系数波动随着振动频率的增大而增大。并且 每种工况下瞬态努塞尔数沿稳态流时的值波动，瞬态努塞尔数的平均数 等于稳态流值。 7 4 7 3 37 2 z 丢7 l 上二7 艄，一 弥b 9 6 8 6 7 7 6 7 4 主7 2 籁7 七0 稍6 8 弥 6 6 6 4 一* 、 历代 一n 髟 07 2 1 4 4 2 1 62 8 83 6 0 相位( 。) ( a ) w = 5 0 07 21 4 42 1 62 8 83 6 0 相位( 。) ( b ) a = 0 4 图2 4 圆管管程努赛尔数的分布图 2 4 圆管壳程脉冲流数值模拟 壳程传热特性研究是管壳式换热器强化传热分析的重要基础之一。 武汉一l 程人学硕