（化工过程机械专业论文）波节管换热器流动与传热的数值模拟及试验研究.pdf

摘要 摘要 现代工业的迅猛发展，以及日益严重的世界能源危机，使得能源有 效利用技术越来越受到重视。换热器不仅是为了满足工艺的特定需要， 而且也是回收能量、节约能量的有效装置，在回收利用余、废热能方面 发挥着重大作用。波节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波 节管换热器进行研究，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，对波节管内流体介质为 水时的流动和传热特性进行了分析，重点研究了波节管的强化传热机理 和相对于直管的强化传热效果。论文发现波节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，波节管 相对于直管的最佳强化比为1 8 6 2 4 l ，最佳传热强化区为入口r e = 1 0 0 0 0 附近；此外，还研究了波节管的结构参数对管内传热性能的影响。 第二、根据波节管换热器的结构特点，在作出适当假设和简化的基 础上，采用基于波节管换热器实体模型的几何建模方案，对波节管换热 器壳程流体流动和传热进行了三维数值模拟，得到了壳程内流体详细的 流场和温度场分布；同时还分析了波节管的结构参数对壳程内流体传热 性能的影响。 第三、搭建换热器性能测试试验平台，制造三台波节管换热器模型 进行试验研究，并和普通圆直管换热器相比较，得到波节管的几何尺寸、 流体流动状态对波节管换热器管、壳程传热、压降及综合性能的影响， 得出波节管换热器相对于普通圆直管换热器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。 武汉工程大学硕士学位论文 关键词：换热器波节管强化传热数值模拟试验研究 l l a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o d e mi n d u s t r i e sa n di nt h el i g h to f w o r l de n e r g 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 np u to nt e c h n o l o g i e s f o re f f e c t i v eu s eo fa l lk i n d so fe n e r g y t h eh e a te x c h a n g e ri sn o to n l ya p i e c eo fe q u i p m e n tw h i c hs a t i s f i e st h ep a r t i c u l a rd e m a n do ft e c h n o l o g y , b u t a l s oa ne f f e c t i v ed e v i c ef o re n e r g yr e c y c l i n ga n ds a v i n g a sh a v i n gh e a t t r a n s f e re n h a n c e m e n te f f e c t s ，c o r r u g a t e dt u b e sa r em o r ea n dm o r ew i d e l y u s e dt oc o n s t r u c tt h es 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 fc o r r u g a t e d t u b eh e a te x c h a n g e r 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 n a n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c hi nt h i st h e s i s t h em a i nw o r ko ft h es t u d yi 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 eac o r r u g a t e dt u b e t h er 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 e m e c h a n i s ma n de f f e c to fh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t c o m p a r e dw i t has t r a i g h t t u b e t h eh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c ei sb e t t e rw h e nt h ec o o r d i n a t i o no f v e l o c i t yv e c t o ra n dt 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 f o rt h ee f f e c to f t h eh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t ，a no p t i m a le n h a n c e dr e g i o ni sf o u n di nt e r m s o fr a t i oo fh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to ft h ec o r r u g a t e dt u b et ot h a to fas t r a i g h t t u b e ，a n dt h er a t i oo fh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ti s1 8 6 - 2 41 ，o p t i m a le n h a n c e d r e g i o ni s r e = 1 0 0 0 0 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 c p 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 ，t h es h e l lo fc o r r u g a t e dt u b eh e a te x c h a n g e ri dp r e d i g e s t e do n i i i 武汉工程大学硕士学位论文 t h eb a s eo ff u l l s c a l e d e n t i t y b a s e do nt h em o d e l s ，f l o wf i e l da n d t e m p e r a t u r ef i e l da lec a l c u l a t e dw i t hn u m e r i c a ls t i m u l a t i o nm e t h o d 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 f g 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 ns h e l ls i d e l a s t 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 t r i gw i t hd i f f e r e n ts i z e t e s t c o r r u g a t e dt u b eh e a te x c h a n g e r s ，a n d c 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 n p r o p e r t i e si nb o t ht u b e - s i d ea n ds h e l l 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 r w a si n v e s t i g a t e db yt h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c h ，a l s ot h er e s u l t so fn u m e r i c a l s i m u l a t i o nw e r ev e r i f i e d k e y w o r d s ：h e a te x c h a n g e r ：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 ：h e a t t r a n s f e re n h a n c e m e n t ：e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h i v 重要符号及下标说明 重要符号及下标说明 武汉工程大学硕士学位论文 符号下标下标意义 管内 管外 平均值 冷流体 热流体 7 4 o o m c 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研 究做出贡献的个人和集体，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。 学位论文作者签名： 三删 州年6 月年日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解我院有关保留、使用学位论文的规定，即： 我院有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅。本人授权武汉工程大学研究生处可以将本学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存和汇编本学位论文。 本论文属于 保密o ， 在年解密后适用本授权书。 不保密d o ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名：主胡d 秀 础妨年b 月辱日 指导教师签名： 喜立艮 力舻2 年6 月尹日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题来源及研究的目的和意义 本课题来源于湖北省教育厅科研项目波节管换热器工程化应 用研究。研究内容包括：波节管换热器的流动与传热性能研究；编制可 供工程应用的波节管换热器工艺计算软件包；波节管爆破性及稳定性研 究等。目的在于共同研制先进的新型高效波节管换热器，并为该换热器 的发展提供技术储备。 换热器是工艺过程中必不可少的单元设备，在诸多工程领域中都有 着广泛的应用【1 】。近年来，随着世界能源的日益短缺，各国政府与专家 都十分重视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剧h 】。 波节管换热器是一种新型强化管壳式换热器，由于问世时间不长， 因此各方面的研究还不充分，这也在一定程度上限制了波节管换热器的 工业应用。本文的研究目的是通过对波节管换热器管、壳程的流动和传 热特性进行数值模拟和试验研究，来深入了解其强化传热现象，阐述其 强化传热机理，并总结其强化传热特点。 1 2 管壳式换热器强化传热概述 1 2 1 强化传热概述 强化传热的研究从热量传递的三种方式入手，但研究最多和应用较 广的是对流强化传热的研究。以b e r g l e s 为代表的美、日等国学者，着 眼于换热与阻力的关系，也就是将采取强化传热措施后所获得的收益与 武汉工程大学硕士学位论文 付出的代价联系起来，把目光集中于工程应用，依据该技术是否需要额 外的动力划分为无源技术( p a s s i v et e c h n o l o g y ) 和有源技术( a c t i v e t e c h n o l o g y ) 【5 8 】。无源技术不需要额外的功率消耗，而有源技术则需借 助于外加动力方可实现。无源技术由于它不需要其他附属设备和额外功 率消耗，在工业生产中的应用比有源技术更为广泛。无源技术主要包括 以下八种：表面处理、粗糙表面、扩展表面、旋流发生器、螺旋管、流 元件、表面张力器件、添加物。属于有源技术的有以下六种：机械搅动、 表面振动、流体振动、电磁场、喷注或抽吸、射流冲击。此外，还有所 谓的复合强化传热技术，也就是两种或两种以上强化传热措施同时应 用，以期获得更大的强化传热效果。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【9 】：( 1 ) 提高换热器的传热效率，增加换热量； ( 2 ) 节省换热器的换热面积，缩小换热器体积；( 3 ) 减小传热温差，提高 换热器热力循环效率；( 4 ) 减少输送流体所需功耗。 目前，国际上己研究和开发出上百种的强化传热技术，但所研究和 应用的强化传热技术存在一个普遍问题，即强化传热的同时，阻力损失 也增加很多，因此阻碍了很多强化传热技术的普遍应用。我国学者和科 研技术人员在强化传热方面做了大量的工作，特别是近年来在理论和机 理研究的基础上发展了一些新的强化传热技术，如纤毛肋强化管，液体 诱导振动弹性管束等。过增元和其他学者在传热传质控制和强化的基础 研究工作中，提出了传递过程控制和强化的新概念和新方法 1 0 , i l l ，成为 第三代传热传质技术的理论基础之一。 1 2 2 强化传热评价准则 在评价强化传热的效果时，需要考虑多种因素，例如：经济性、安 全性、制造、安装、运行和维护的工艺技术及对材质的要求等。因此， 评价一种强化传热技术的优劣，必须选择合适的强化传热评价准则。 第1 章绪论 单纯的追求传热系数、平均温差或传热面积的改善是不足取的，因 为所采取的强化传热措施往往使流动阻力增大，或其他方面的消耗要求 增高。从实际应用角度考虑，通常在流动阻力相等的情况下比较给热系 数，即比较o a p 的大小。o a p 通常作为衡量换热器壳程强化传热效果 的综合性能评价指标。它表示在壳程消耗相同压力降的条件下，所采用 的强化传热技术所获得的效益。当o a p 增大时，说明强化传热取得了 积极效果，在满足相同热负荷要求的情况下，换热器尺寸小了，紧凑性 高了，重量轻了。在实际应用换热器时，往往有着不同的要求，在某些 场合下，对阻力要求很严格，而在另一些情况下，制造方便、运行稳定、 维修容易更是首要考虑的因素。 目前，各种管程强化传热技术被越来越多的应用于新型换热器的开 发设计中，合理的选择管程强化传热的评价准则成为人们的关注的问 题。在强化传热研究的初期，人们关心的往往是给热系数究竟可以提高 多少，因为热量输出总是与给热系数大小成正比的，所以n u n u 。( 强化 传热管与参考管m 之比) 成为早期的评判准则。以后发现摩擦系数随 着传热系数的增加而迅速提高，并且在不少情况下，阻力系数比给热系 数的增加的更快，于是提出( n u n u 。) ( 厂) 作为评价强化传热管优劣 的准则，以它是否大于1 作为工业上采用与否的标准。但是，以 ( n u n u o ) ( f f o ) 作为强化传热管强化传热评价准则有其不足之处，因为 强化传热技术的采用，可以在较低的介质流动速度下获得较高的给热系 数，而介质的输送功率几乎与速度的三次方成正比，所以即使 ( n u n u o ) ( f f o ) 小于1 ，依然可以在同样的介质输送功率下输出较大的 热量。因此( n u 帆) ( 厂z ) 是强化传热的一个评判准则，这个数值越大， 说明强化传热管强化传热性能越佳，但不能以它是否大于l 作为强化传 热效果的评价标准。从相同输送功率下输出热量大小的观点来看，以强 化传热综合性能评价因子r l ( 如式1 1 ) 作为强化传热评价准则f 1 2 ，1 3 】较为 武汉工程大学硕士学位论文 合理。当口大于1 时，表明在同样输送功率下强化传热管输出热量大于 参考管，此值越大，说明强化传热管的强化传热效果越好。 _ = ( n u k ) ，( ，正) “3 ( 1 - 1 ) 12 3 管壳式换热器强化传热的发展 管壳式换热器设计思想最早出现在二十世纪初，当时是为了满足电 厂对在较高压力操作环境下运行的大型换热器的需要而开发设计的。因 为管壳式换热器具有结构坚固、选材范围广、适应性强、换热表面清洗 方便、处理能力大、易于制造及成本低等优点，目前仍是各工业生产部 门使用最为广泛的一种换热器。借助于强化传热理论的发展，以及现代 化试验技术和计算机技术的进步，各种对管壳式换热器的研究不断深 入，对管壳式换热器的强化传热的研究也取得了许多成果。 管壳式换热器强化传热的研究主要分为管程和壳程两大方向，以往 换热器多采用普通圆直管作为换热元件，随着人们对强化传热研究的不 断深入，各种管程强化传热措施应用到换热器设计制造中。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、横纹槽管、缩放管、 螺旋扰流管、翅片管、内肋管、管内螺旋扰流装置等 悼。部分管程强 化传热装置如图1 1 和图l - 2 所示。 _ - ( 0 l 能膏麓置 c 日 图1 - 1 常用管内扰流装置 第1 章绪论 鹾一 ( a ) 螺旋槽管 豳墨 ( b ) 横纹槽管 母田互 ( c ) 缩放管 ( d ) 螺旋绕流管 ( e ) 翅片管 图1 - 2 常用强化传热管 武汉工程大学硕士学位论文 传统的管壳式换热器多为弓形折流板换热器，壳程流体流动时容易 产生流动死区，传热面积利用率低，因而造成传热效率低，易结垢，流 动阻力大，流体横向冲刷管束易诱发振动等缺点。为了克服传统管壳式 换热器的缺点，达到壳程强化传热的效果，多种新型壳程结构应运而生， 如螺旋折流板换热器，盘环形折流板换热器、折流杆换热器，空心环管 换热器等”】。图1 - 3 为部分新型换热器壳程结构示意图。 ( 曲折流杆换热器壳程结构 图1 - 3 新型换热器壳程结构示意图 睁粼一麟 第1 章绪论 1 3 管壳式换热器的研究方法 1 3 1 理论分析 第一台管壳式换热器问世至今，已经形成了比较完善的工艺计算流 程和生产加工方法，能较好的满足实际生产需要。随着人们对强化传热 理论研究的不断深入，一些新的强化传热理论被应用于管壳式换热器的 传热性能研究与优化，其中具有代表性的是g u o 在1 9 9 8 提出的场协同 理谢1 0 】，场协同理论认为对流传热的强度不仅取决于r e 和p r 还取决于 流体速度和温度梯度的矢量点积项矿v 于的积分值，它代表了速度场与热 流场的相互协同程度：即改善速度场与热流场的协同程度可实现对流传 热的强化。改善场协同程度的途径，包括减小速度与温度梯度的夹角， 增加速度场和温度梯度场的均匀性等。研究表明，上述各种因素并不是 独立的，对流传热是诸因素共同作用的结果，欲使传热强化，需要各参 数间的协同，即所谓的场协同概念。对流传热强化的场协同原则的提出， 为管壳式换热器传热性能研究，优化传热过程，发展新的强化传热技术 提供了新的思路。 1 3 2 试验研究 由于管壳式换热器固有的结构复杂性，传热理论的研究还远远满足 不了其实际应用的需要。因此目前管壳式换热器的研究和开发方式，大 都采用试验的方法，即在相似理论基础上，制作试验模型，测量试验数 据，进行数据处理后回归出换热器的传热与流动阻力准数的准则关系 式，并进一步应用于管壳式换热器的工程设计中。试验方法具有直观、 真实、可靠的特点，对于人们认识和探索换热器内的流动现象和换热特 性，都将起到重要作用，但是换热器的这种传统研究模式存在着很大的 武汉工程大学硕士学位论文 不足和弊端，己不能很好地适应换热器的研究和开发的需要。首先，换 热器的试验条件受到限制，因此不可避免地存在着原始缺陷和误差；其 次，在研究管壳式换热器时，由于换热器性能的影响因素繁多复杂，不 可能针对每一细节变化来制造模型进行试验研究，因而所研究的全面性 受到限制；第三，试验研究的周期很长，试验成本高；第四，不利于换 热器的放大设计和优化设计等。 1 3 3 数值模拟 应用数值模拟的方法对管壳式换热器进行数值模拟研究，最早是由 英国p a t a n k a r 和s p a l d i n g 在1 9 7 4 年提出来的【1 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，计算机硬件技术的提高，使得采 用数值模拟的方法对换热器进行模拟与仿真成为可能。近年来一系列大 型c f d 商业软件，如p h o e n i c s 、f l u e n t 、c f x 、s t a r - c d 等的成功开发 和投入使用，使得利用数值模拟方法对管壳式换热器进行模拟研究更加 方便容易，推动了数值模拟方法的实际应用。和试验研究的方法相比， 数值模拟具有以下诸多突出优点：易改变计算条件；可研究复杂初边值 条件下的流动现象和流动特性；具有灵活、费用较低、限制较少、能模 拟较复杂或较理想的工况；可缩短研究和开发周期；具有很好的重复性； 便于优化设计等。 由于管壳式换热器中流体流动和传热的复杂性，要对其流动与传热 过程进行数值模拟，把管程流体、管外流体的速度场、压力场、温度场 分布的每一个细节全部分辨出来，从而确定流体流动阻力与换热系数， 是相当困难的。因此，文献 1 9 】提出了分布阻力的概念，以考虑壳程的 固体表面对流体流动的影响；把壳程范围内的固体结构物，如换热管束、 折流板等当作是某种多孔介质( p o r o u sm e d i a ) ，用容积多孔度b 表示流 第1 章绪论 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。采用分布阻力、容积多孔度的概念来计算管壳式换热器中 流体流动的方法使复杂几何结构、复杂的流动过程得以大大简化，同时 又保留了用微分方程来描述壳程流体流动与换热的特点，是一种较为有 效的研究方法，但是这种方法由于分布阻力、分布热源等多个重要输入 参数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， 造成试验耗资巨大、周期长，若根据经验来确定这些参数，不易把握数 值计算的准确性。 1 9 8 2 年s h a t 2 0 】认为管束多孔度不是各向同性的，如果仅利用分布阻 力系数和容积多孔度不能获得真实的流场，为此，s h a 进一步提出了表 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。 国内对管壳式换热器数值模拟研究起步较晚，但已得到重视，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【2 l 】对换热器中 管程高粘度流体流动和传热进行了数值计算，而采用现有试验技术很难 得到高粘度物性流体流场和温度场，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【2 2 】对弓形折流板管壳式换热器的模拟研究采用了多孔介质模型，用 体积多孔度、表面渗透度、分布阻力和分布热源来考虑壳程复杂几何结 构造成的流道缩小和流动阻力、传热效应等等。清华大学解衡，高祖瑛 等【2 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，结果与试验数据吻合较好。王定标等【2 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【2 5 】 武汉工程大学硕士学位论文 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 波节管换热器的研究现状 波节管换热器是适应现代化生产的需要，在传统管壳式换热器的基 础上开发出来的一种新型高效换热器，继承了传统管壳式换热器的优 点，又克服了其不足之处。它是以传统管壳式换热器为基础，采用波节 管作为换热元件，其他结构均采用常规管壳式换热器的零部件，为了便 于管子与管板连接，波节管两端保持圆直管形状，管板孔径与端部直管 段外径相同。壳程流体在流道中主要作纵向流动，壳程流体通道横截面 沿管束纵向周期性地发生变化，使壳程流体在沿波节管外壁纵向流动的 同时，产生以复杂的周期性的物流分离与混合为主要特点的强扰动，从 而较大程度地强化了传热过程。因为壳程没有折流板，壳程不存在流动 死区，壳程的流动阻力也较小，同时也不易结垢。换热管之间保持点接 触而且壳程流体主要作纵向流动，能很好的克服诱导振动，提高了其操 作的可靠性。图l - 4 为波节管结构示意图。 r 厂、一o = j l 一 卜，r 一 t 5 1 _ 一 k ，n 1_ 一 一 图1 4 波节管结构示意图 波节管换热器推出的时间还不是很长，国内外虽有学者对其进行了 流动和传热方面的研究 2 6 - 31 】，但都不是很深入，关于其强化传热机理的 研究，则更是鲜有报道。 国内对波节管换热器的研究起步很晚，1 9 9 4 年左右才开始有相关研 究文献的出现，研究文献的数量也较少。 第1 章绪论 1 9 9 5 年东北大学的郎逵教授【3 2 】对波节型换热元件进行了研究，给出 了波节管换热准则方程，并指出波节管各尺寸的优化关系为： 垒：1 2 5 1 8 ，s 2 ：0 2 0 7 蔓：0 2 1 0 2墨 d 2 从机理上探讨波节管的强化换热原理，指出波纹型换热元件的换热效果 为通常用光管的2 4 倍。 2 0 0 1 年，西安交通大学的曾敏，王秋旺掣3 3 】用实验方法研究了横 热流条件下，空气在3 种不同管径的波纹管内的流动与传热特性，并拟 合出了所侧参数范围内的传热和阻力关联式，比较了相同管径的波纹管 和光管的换热效果，发现无论哪种比较条件下，波纹管均比相同管径下 的光管综合换热性能强。但由于实验条件的局限性，他们的实验结果只 适用于特定的波纹管形式和流动条件。 2 0 0 2 年，张登庆、李忠堂等【3 4 】对四种不同几何尺寸波节管的换热 和阻力特性进行了实验研究，得出波节的存在增加了对流体流动的扰 动，提高了波节管的换热能力；波节管的换热能力随波节长度与波深比 值的减小而增加；在低雷诺数( r e 3 0 0 0 ) 时， 波节管的换热阻力综合性能比较理想。 2 0 0 3 年，西安交通大学的张鹏、陈听科3 5 1 不仅对波节管强化传热 的机理进行了全面分析，并且对波节管及内管为波节管的管壳式换热器 进行了试验研究。通过对实验数据的分析，总结出波节管管内的传热与 阻力特性。 俞惠敏，蔡业彬【3 6 】也用实验的方法研究了三种换热管即光管、螺纹 管和波纹管的传热性能，实验结果表明，波纹管的总传热系数最大，其 次是螺纹管，最小是光管；螺纹管的管内压降最大，其次是波纹管，最 小是光管；管外压降三种管型相差不大。 商福民、毕庆生等【2 6 】对波节管与光管内的流体传热特性进行了对比 武汉工程大学硕士学位论文 性实验研究，实验设备是波节管套管换热器。实验结果表明，由于波节 管的特殊结构，使得流体在波节套管内流动时的对流换热系数是在光管 套管内流动时的3 到7 倍，总传热系数也能提高2 到3 倍，尤其是在低 雷诺数的情况下，但管程阻力也显著增加。 2 0 0 6 年，哈尔滨工业大学的龚波【3 7 】等用数值模拟的方法对波纹管 的管内湍流流动状态下的换热与流动进行了模拟研究，分析了流体流动 状态和管道几何结构对换热系数与流动阻力的影响，并根据模拟数据拟 合出换热系数和流动阻力的准则关系式。同时通过与波纹管实验测定数 据的比较，进一步验证了模拟结果的有效性和可靠性。 国外也有一些学者对波纹管或波形通道内的流动与传热特性进行了 研究。b u m s 和p a r k s t 3 8 】首次对波纹通道内的粘性流问题进行了理论研究， 他们把流动假设为斯托克斯流，并把流函数表达为傅立叶级数的形式。 g o l d s t e i n 和s p a r o w ”】首次利用萘提纯实验测量了某三角形波纹通道内的 局部和平均传热系数，实验中的波纹通道只有两个波长的长度，但实验 范围覆盖了层流、过渡流和湍流实验中他们在高精度局部传质测量区发 现了二次流，且波纹通道内湍流区中的平均传质和传热比相同条件下平 行平板间的增强了近3 倍，但同时阻力降也大大增加。为避免入口效应， b r i e n 和s p a r r o w 【4 0 】均对同样几何结构但具有更多波纹周期的波纹通道进 行了更完整的研究，结果表明，在充分发展段，波纹通道内的传热比相 同条件下直通道内的传热提高了2 5 倍。 19 9 3 年s a n i e i 和d i n i t 4 l 】用实验的方法研究了某波形通道内湍流区的 传热特性，他们发现，最大局部努赛尔数位于每个波峰的上游，而最小 局部努赛尔数则位于每个波峰的下游：研究还发现，最大平均努赛尔数位 于第二个波内，从第三个波下游开始，由于流动己充分发展，故平均努 赛尔数基本保持不变。 2 0 0 0 年ccw a n g 和ckc h e n 4 2 1 用简易坐标变换的方法研究了一正弦 第1 章绪论 波纹管内的传热情况，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。 从前面的文献综述可以看出，对波节管管程的研究，从流动到传热 性能的研究，前人已经做了大量工作并取得了一定成果，但仍然还有许 多问题有待后人去研究解决。例如，波节管换热器壳程的传热与流动计 算目前还没有相关文献出现。本论文的目的是从数值模拟与试验研究两 方面，对波节管换热器管、壳程的流动与传热性能进行深入研究。 1 5 论文研究的主要内容 本课题研究的内容主要包括： ( 1 ) 波节管换热器数值模拟研究 结合场协同理论对波节管换热器管程的流动和传热特性进行了数 值模拟，揭示出波节管的强化传热机理，并发现了波节管在不同流动条 件下相对于直管的最佳强化比和最佳传热强化区；此外，还考察了不同 的波节管结构参数及流动状态对其管、壳程传热特性的影响。 ( 2 ) 波节管换热器试验研究 制造3 台具有不同结构尺寸的波节管换热器和1 台普通圆直管换热 器，进行波节管换热器管、壳程传热与压降l 生能试验研究。揭示波节管 几何参数、流动状态等对波节管换热器管、壳程传热、压降及综合性能 的影响，并和传统的圆直管换热器相比较，说明其所具有的强化传热优 势。 武汉工程大学硕士学位论文 第2 章数值模拟方法概述 数值模拟方法主要包括前处理、求解和后处理三个主要过程。其中， 前处理和求解过程对所研究问题的影响起决定性作用，涉及最终结果的 正确与否以及计算速度、计算精度等问题。后处理则能够生动形象的展 示数值模拟计算结果，达到预期的计算目的。 数值模拟方法基本过程 ( 1 ) 前处理 前处理主要包括几何模型构建和计算网格划分。模型的创建要求能 正确表达所研究问题的空间几何状态，复杂模型的建立往往要借助于专 门的c a d 软件完成，如利用p r o e n g i n e e r 、u g 、s o l i d w o r k s 等三维几 何造型软件等。对于高度复杂的几何模型，由于受计算量以及网格划分 手段等条件限制，往往需要对其进行简化处理。一般而言，合理简化的 原则是在保证求解问题的相关物理量不失真的前提下，尽可能使求解过 程快速化并保证足够的稳定性和健壮性。 网格生成过程是将空间上连续的计算区域剖分为多个相互连接的 子区域，并确定每个区域的节点，通过在每个子区域上迭代求解一系列 代数方程组而得到全局物理量。由于最终计算结果的精度及求解效率主 要受网格质量和所采用的计算方法控制，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之一。虽然上世纪9 0 年代以来快速 发展的非结构网格和自适应笛卡儿网格方法，能较好的解决不规则几何 体网格划分问题，并在一定程度上促成了现代网格生成技术的繁荣发展 局面，但是和结构化网格以及与此相对的块结构化网格相比，非结构网 格对于复杂工程问题求解精度的影响以及计算过程的稳定性等方面具 第2 章数值模拟方法概述 有难以克服的缺陷。同时，采用非结构网格会造成计算量的急剧增加， 需要消耗更多的存储资源和c p u 时间。近年来，大型商用网格生成软 件如g r i d g e n 、i c e m 、g a m b i t 等的成功开发和投入使用大大方便了网 格生成，同时也推动了c f d 数值模拟方法的推广和应用。 ( 2 ) 计算求解 利用前处理生成的计算网格，结合已知条件( 包括边界条件、物性 数据、初始条件等) 和相应的数学模型，通过反复迭代而得到整个计算 区域各种物理量的过程即为求解过程。和早期的试验室研究相比，现代 c f d 数值模拟技术已被广泛应用于航空航天、化学化工、冶金、制冷、 汽车交通、城市建筑等各工业领域，相应的计算模型如多相流模型、离 散相模型、辐射传热模型、燃烧模型、金属固化模型等应运而生。多种 计算模型的集成处理也增强了c f d 数值分析的灵活性。 对于任何c f d 数值模拟分析，结果的准确性、计算的快速性以及 收敛的稳定性是其共同的追求目标，这三者共同决定于计算网格的质量 和所选用的差分格式，抛开其中一个而单独追求另一方面的做法往往是 不可取的。在网格质量一定的前提下，高精度的差分格式可以提高计算 结果的准确性，特别是对于存在激波、分离现象等复杂流场的分析。但 高阶差分格式又会导致计算量的急剧增加，同时可能造成计算的不稳定 性，导致计算发散，因而分析过程中求解策略的选择同样重要。对于比 较复杂的工程问题，可以先针对其比较简单的某一方面进行研究，选择 比较简单的计算模型以求得问题的初步信息，再在此基础上逐渐增加其 它未知量，直到满足问题求解的最终需要。对于非稳态问题，时间步长 的取值大小直接决定计算结果的可靠性和计算速度，一般在计算初期选 择较小的时间步长，待计算稳定后可采用自适应步长法加快求解速度。 而在初始条件不太明朗的情况下可以先进行稳态分析，利用稳态分析的 结果作为非稳态计算的初始值同样能起到事半功倍的效果。计算可以采 用分离变量法或耦合求解。由于分离变量法可能导致数据传递过程中截 武汉工程大学硕士学位论文 断误差增大，因而其计算过程一般要求采用隐式( i m p l i c i t ) 格式，以提高 计算精度和稳定性。对于耦合性较强的多物理场求解，先采用分离变量 法分析对整体计算影响较大的变量分布变化规律，并以此为基础与其他 变量耦合求解；或者以显式( e x p l i c i t ) 计算结果作为隐式计算的已知条件 进行整体分析，两种方法都可以有效提高计算效率。与不同求解顺序及 计算格式的选择相比，松弛因子( u n d e r - r e l a x a t i o nf a c t o r ) 的选择同样对 计算的稳定性有重要影响，在计算模型一定的前提下，改变松弛因子会 影响计算的收敛速度和稳定性。较大的松弛因子可以提高计算速度但同 时可能造成迭代的不稳定，导致计算振荡或发散；反之，减小松弛因子 可能会提高收敛的稳定性，但会增加整体计算时间。有关松弛因子的选 取标准目前并无统一说法，大爹情况下采用试算方法得到。 ( 3 ) 后处理 ， 后处理过程用于将c f d 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，并结合少量的试验验证，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。 2 2 数值模拟软件f l u e n t 简介 f l u n e t 是美国f l u e n t 公司于1 9 8 3 年推出的c f d 软件，是目 前功能最全面、适用性最广、国内使用最广泛的c f d 软件之一，广泛 第2 章数值模拟方法概述 用于模拟各种流体流动、传热、燃烧和污染物运移等问题。结合研究的 实际情况，本文选用f l u e n t 软件作为数值模拟工具。 f l u e n t 提供了非常灵活的网格特征，用户可以使用结构化网格和 非结构化网格对各种复杂区域进行网格划分，还允许用户根据求解规 模、精度及效率等因素，对网格进行整体或局部的细化和粗化；对于具 有较大梯度的流动区域，提供的网格白适应技术可在很高的精度下得到 流程的解。f l u e n t 使用g a m b i t 作为网格生成软件，它可读入多种 c a d 软件的三维几何模型和多种c a e 软件的网格模型。 f l u e n t 可用于二维平面、二维轴对称和三维流动分析，提供丰富 的物理模型完成多种参考系下流场模拟、定常与非定常流动分析、不可 压流和可压流计算、层流与湍流模拟、传热和热混合分析、化学组分混 合和反应分析、多相流分析、固体与流体耦合传热分析、多孔介质分析 等。它的湍流模型包括k 一占模型、r e y n o d l s 应力模型、l e s 模型、标准 壁面函数、双层近壁模型等。 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、动量方程、能量方程或组分输运方程中的 体积源项，自定义边界条件、初始条件、流体物性、添加新的标量方程 和多孔介质模型等。 f l u e n t 采用c 语言编写，可实现动态内存分配及高效数据结构， 并使用c l i e n t s e r v e 结构，允许同时在用户桌面工作站和计算机服务器 上分离地运行程序，具有很大的灵活性与很强的处理能力。 f l u e n t 解的计算与显示可以通过交互式的用户界面来完成，具有 二维、三维和动画显示功能，用户可通过多窗口方式随时观察计算的进 程和结果。f l u e n t 还为高级用户提供了二次开发接口。 武汉工程大学硕士学位论文 2 3 本章小结 本章主要介绍了有关流体数值模拟的一些基础的理论知识，并对通 用数值模拟软件f l u e n t 的功能及特点进行了简单描述。本章理论基 础知识的介绍，为后文的数值模拟建模、边界条件设定、数值模拟计算 等过程提供了指导依据。对数值模拟过程而言，本部分内容是基础性的， 但也是非常重要且必不可少的内容。 第3 章波节管换热器管程流动与传热特性的数值模拟 第3 章波节管换热器管程流动与传热特性的数值模拟 在强化传热管研究方面，数值模拟被广泛应用。但在研究中，普遍的 做法是取换热管的一部分，将其设置为等壁温或等热流边界条件，然后 按流动与传热均已充分发展的情况来进行模拟【4 3 堋。这样处理将无法考 虑入口段对换热的影响，而且不能获得强化换热管对管外流体流动和换 热的影响。如果能对整个强化换热管进行模拟，则可以获得强化换热管 的整体换热性能，与实际的试验工况更为接近。 3 1 计算模型 3 1 1 数值模拟前的简化假设 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。 本章根据波节管内传热和流动的特点，作了如下几点简化和假设： ( 1 ) 由于本章研究的是波节管内稳定流动时的传热与流动特性，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 ) 波节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，但对总的传热效果不会有太大的 影响； ( 4 ) 忽略管内流体质量力。 1