（工程热物理专业论文）三维微肋螺旋管内的两相流动与沸腾传热.pdf

重庆大学硕士论文 摘要 摘要 目前螺旋管内两相流动传热研究主要以光滑螺旋管内的两相流动传热为 主其研究重点为临界热流密度( c h f ) ，但对制冷剂在微肋螺旋管内两相流动传 热还鲜见报道。因此采用微肋与螺旋管二次流相结台的强化传热技术，月j 新型 环保制冷剂r 1 3 4 a 来进行实验研究，分析螺旋管内表面为三维微肋结构时对流 动沸腾传热的强化机理，具有重耍的学术意义和工程应用价值。具体说来有以 下内容： l 、对微肋螺旋管内两相流动流型进行了实验观察，作出了流型图。并与水 平直管流型进行了分析、比较。解释了两者间的流型差异和微肋螺旋管 流型间的转变机理。 2 、实验研究了微肋螺旋管内两相流动传热性能。并与光滑螺旋管进行了比 较。在质量流率7 9 k g ( m 2 s ) 3 1 5 k g ( m 2 s ) ，热流密度1 1 o k w m 2 - 2 00 k w m 2 时，掘对于光滑螺旋管的强化因子为l5 屯1 。 j 、采用不同的差分数值离散格式，对螺旋管内单相层流流动换热进行了数 值计算，深入了解螺旋管内单相流动及强化换热机理，其计算结果和已 有的实验数据非常吻合。 4 、对水一钢三维内微肋热管进行了实验研究，为工程实际应用提供了参考实 验数据。 关键词：螺旋管，二次流，微肋，强化传热热管 重庆大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h es t u d yo fw a t e ri ns m o o t hh e l i c a lt u b e o fw h i c ht h em a i nw o r ki s a b o u tc r i t i c a lh e a tf l u x ( c h f ) ，i st h ep r i m a r yc o n c e r no ft h er e s e a r c ha b o u tt h e t w o - p h a s ef l o wa n dh e a tt r a n s f e ri n c u r v e dp i p e h o w e v e r ，t h es t u d yo fr e f r i g e r a n ti n m i c r o f i nh e l i c a lt u b eh a sr a r e l yb e e n r e p o r t e d t h e r e f o r e ，i tw i l l h a v e i m p o r t a n t a c a d e m i cs i g n i f i c a n c ea n de n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o nv a l u et od oe x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho f r 1 3 4 aw i t ht h ea i do ft h eh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n tt e c h n i q u ew h i c hc o m b i n e s m i c r o - f i nw i t hs e c o n d a r yf l o wa n dt oa n a l y z et h eb o i l i n gh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t t h e o r yj nah e l i c a lt u b ew i t hm i c r o - f i n e di n n e rs i d e t h em a i nw o r k sa n dc o n c l u s i o n si n t h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： 1 、t h et w o p h a s ef l o wp a t t e r n sa r eo b s e r v e di nm i c r o - f i nh e l i c a lt u b e t h ef l o w p a t t e r nm a pi so b t a i n e da n dc o m p a r e dw i t ht h em a po fs m o o t hs t r a i g h tt u b e ， t h er e s u l to fw h i c he x p l a i n st h et h e o r yo ft r a n s f o r m a t i o na m o n gt h ef l o w p a t t e r n si nm i c r o f i nh e l i c a lt u b ea n dt h ep a t t e r nd i f f e r e n c eb e t w e e nh e l i c a la n d s t r a i g h tt u b e 2 、t h et w o p h a s ef l o wh e a tt r a n s f e rc a p a b i l i t yi st e s t e da n dc o m p a r e dw i t ht h e s m o o t hh e l i c a lt u b e a tm a s sf l u xb e t w e e n7 9 k g ( m 2 s ) a n d315 k e g ( m 2 s ) a n d h e a tf l u xb e t w e e n11 o k w m a n d2 0o k w m 。、t h eh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t r a t i oi s f r o m1 5t o21 3 、t h es i n g l e - p h a s ei a m i n a rf l o wa n dh e a tt r a n s f e rh a sb e e nc a l c u l a t e d b y d i f f e r e n td i s c r e d i t e ds c h e m ei nh e l i c a lt u b ea n dt h er e s u l t sa r ev e r yi na c c o r d w i t ht h eo b t a i n e de x p e r i m e n t a ld a t a 4 、t h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho fw a t e ri nt h ec a r b o n i r o nh e a t p i p ew i t h3 - d m i c r o - f i ni s p e r f o r m e da n do f f e r e dt h ee x p e r i m e n t a ld a t af o re n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：h e l i c a lt u b e ，s e c o n d a r yf l o w ，m i c r o f i n ，h e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t h e a t p i p e 重庆大学硕士论文 主要符号表 a 螺旋管半径【m 1 c p比热容 k j ( k g k ) j d 螺旋管直径【m 1 d 螺旋直径【m l f 面积f m 2 1 g重力加速度l m s ：1 g 质量流速【k 烈m 二s ) l h 换热系数【w “m 2 ) 】 i l 质量流率 k g s l p 压力【p a j 无量纲准则数： 主要符号表 d n d n 数d 胛= r e 占o 5 f 阻力系数，= ( 2 v 。) t i p 孵) f g 增= 知顽万i 历“。他d ) f r 弗劳德数，f r = 02 ) ( g d ) f t d f t d = t p ，k p l p 0 p su | 瞻i 舛s k u k u = ( z f 。戊。5 ) k ( 成一几弦】0 ” 希腊字母： p 密度l k g ，m 3 l o 表面张力 n ，m l o 角度坐标 巾 摩擦因子，角度 系数 6 曲率 f 标： c 冷凝段 c r 临界 e 沸腾段 m 内 w 壁面 i 1 1 平均 o u t 外 g 气体 v 热量i w l 热流密度r k w ，m 2 】 螺旋直径【m 1 广义源项 温度 l 切向速度 m s l 径向速度 m s l 轴向速度 m s l 质量干度 轴向坐标 n u 努谢尔特数， k = ( h - a ) t x p r 普朗特数，p r = ( ( 1 。) i x r e 雷诺数，r e = ( p - ”a ) l s , w e 韦伯数，w e = ( p z ，2 一d ) 居 x t t x t t = 【( 咖，出) 。l ( d e 出) 。r n 热平衡系数 u 粘性系数i n s m 2 l v 运动粘度【m 2 i s 导热系数【、v ( mk ) 】 t 切应力f n ，m 2 】 r 广义扩散系数 l液体 e ( e ) 东向 w ( w ) 西向 n ( n 1 北向 s ( s ) 南向，饱和 t p两相 a d 附加 q 叮r s t u v r z 重庆大学硕士论文 1 绪论 1 1 概述 随着世界经济的持续增长，对能源需求急剧增加。特别是7 0 年代阿拉伯国家 对西寿+ 国家的石油禁运，使人们对能源有了更深刻、更深远的认识同时也感觉 到能源危机的紧迫感。节约能源成为世界性的共识，从而促使人们不断深入地研 究强化传热，以求充分利用低品位能源、节约能源和降低换热设备制造、运行及 维护费用。所以，近二十年来强化传热技术的研究在传热界的各个研究领域都非 常活跃，强化传热方面的文章、报告、会议以及专利文献等急剧增加【l j o 在1 9 7 4 年，美国加利福尼亚大学的m o l i n a 和r o w l a n d l 2 j 指出，制冷剂氟里昂 化合物扩散至大气同温层时，被太阳紫外线照射丽分解，释放出氯原子，与同温 层中的臭氧进行连锁反应，使臭氧遭到破坏。危及人类健康及生态平衡。因此保 护臭氧层己成为当前项全球性的紧追任务，对c f c s 替代工质的研究刻不容缓。 在这螋替代工质的研究中，r 1 2 替代物的研究开展得较早一些，目前纯组分物质以 r 1 3 4 a 应用得最广。这主要是r 1 3 4 a 不含氯原子。它的臭氧消耗能值( o d p ) 为 零，在大气中的寿命很短( 大约为1 6 年，而r 1 2 为1 2 0 年) ，故有较低的全球变 暖潜能值( g w p 为o2 6 ，而r 1 2 为3 ) ，并且它不燃、不爆，其热力性质与r 1 2 基本相似。从c f c 制冷刹向绿色环保制冷剂的过渡过程中，制冷与空调工业需要 对系统及替代工质的相关传热问题进行广泛而深入的研究。因此，迫切需要获得 替代【：质两相流动传热及阻力特性的准确实验数据、换热计算关联式研究新的 强化传热技术的性能和强化传热机理，以改进蒸发器、冷凝器的热设计方法。所 以对r 1 3 4 a 进行微肋螺旋管内两相流动及传热的研究具有很强的工程应用背景和 实用价值。 近几年来，国内外对水平管内替代工质的两相强制对流沸腾传热进行i ，大量 的研究工作，在工程实践中，有大量的实验与理论成果可资利用。但是，替代工 质r 1 3 4 a 在弯曲通道( 如螺旋管) 内的两相流动与传热的研究还未见报道，还钶 待进步探索和研究。目前对螺旋管内两相流动传热的研究大多数是以水蒸汽水 为工质，重点则集中于临界热流密度( c h f ) 问题上，对制冷剂在螺旋管内两相 流动沸腾传热的研究不多。然而螺旋管本身作为一种强化传热元件，对单相层 流传热具有很明显的强化作用。但是从已查阅的文献得知，二次流这种无源强化 措施刈管内沸腾传热的强化却十分有限。因此，在螺旋管中应用新的强化传热技 术有重要的现实意义。然而，在众多的表面强化传热技术中，微肋管( m i c r o f i n t u b e ) 1 绪论 以其强化传热效果显著、j l 工- 切削量小、对管壁破坏轻、性能稳定可靠、对加工 1 ：艺要求不高等优点，明显优越于其它粗糙肋管、在管内表面进行烧结处理的烧 结管和在管内插入绕丝、绕带等强化方式。研究表明，管内微肋结构的存在， 方面不仅增加了换热面积而且提供了沸腾所需的汽化核心；另一方面微肋肋问 的毛细抽吸作用有助于沸腾表面冷却液的补充从而使微肋管内沸腾传热及其i 临 界热流密度都较光滑管显著提高。所以，这种表面强化措施自其出现以来就被迅 速推广、使用，成为现今制冷系统中一种普遮的强化传热手段。但是，对微肋表 面有关强化传热机理的研究和应用，目前还仅仅局限于真管中，在螺旋管中采用 类似于微肋表面的强化措施，对管内两相流动与传热的研究还几乎未见报道。 本课题将微肋表面强化技术应用于螺旋管中，加工出新型的三维微肋螺旋管， 并以绿色环保制冷荆r 1 3 4 a 作为工质，实验研究“二次流+ 微肋扩展表面”这种复 合强化技术对两相强制对流流动沸腾传热的强化效果，提出具有工程实践参考价 值的流动及传热实验数据。 1 2 文献综述 1 21 沸腾传热及强化技术现况 沸腾就是通过大量汽泡的形成、成长和运动，将工质由液态转变成汽态的一 种剧烈蒸发过程。就换热方式的名称而言，沸腾是伴随着汽液相变的热量传递过 程，是一种高强度的传热方式。沸腾传热特性随发生条件的不同而有一定差异， 它与加热面的结构、途径、系统压力、温度、壁面分布、沸腾介质的物理性质和 流动条件等多种因素有关。在实际的沸腾传热过程中，由于单个汽泡的产生、成 长、脱离过程机理复杂，并带有多样性和随机性；在运动过程中，汽泡间的相互 干扰和影响，也增添了沸腾换热的复杂性。因此，在本世纪三十年代以前，沸腾 传热及其强化的研究仅仅做了一些零星工作。日本科学家拔山( n u k i y a m a ) 在1 9 3 4 年首次测得了第一条沸腾曲线。由于沸腾传热在很多方面具有不同于单相介质传 热的特征，其机理非常复杂，因此其强化技术的研究也开展得较迟，经历了曲折 的发展过程。早在1 9 31 年著名传热学家j a k o b 在研究沸腾传热表面状况对核沸腾 的影响时，发现表面喷砂后，核沸腾传热可提高1 5 以上，但此种强化效果只能 维持一天。同时他也发现在表面上刻划深为o 0 1 6 m m ，间距为64 8 r a m 的浅槽，能 够使核沸腾传热在最初时提高近三倍，但几天之后这种强化效果不复存在。1 9 3 5 年，s a u e r 的实验也得到了类似结果。总之，虽然简单的机加工处理表面可以改善 沸腾传热，但由于老化效应的影响，其效果都不能持久。自此之后的2 0 年时间里， 沸腾传热强化技术再没能引起人们的注意，也几乎没有任何新的文献报道。从1 9 5 5 2 重庆大学硕士论文 年开始陆续又有一些相关论文发表，人们重新研究了糨糙表面对强化沸腾传热 的作用。同时，在这一阶段里，对沸腾传热的机理也开始进行深入的实验研究车 理论分析，并获得了一系列极为重要的结果。g r i f f i t h 等人p j 对核化中心的研究是 个开创性的贡献。他们指出，空穴的开口尺寸决定了初始沸腾所需的壁匝过热 度，而空穴内部的形状则决定了沸腾的稳定性。在g r i f f i t h 论文的基础上，w e s t w a f e r 等首先制出了所谓“陷入式”空穴( r e e n t r a n tc a v i t y ) ，还验证了这种空穴的优异 性能，并且进一步对这种空穴的尺寸、形状作了深入研究1 4 i 。h s u l 5 j 和b a n k o 酽1 分 别独、上地研究丁空穴在沸腾中的作用，提出了全自动物理模型。上述先驱性的i 作为强化沸腾传热的研究奠定了基础，此后沸腾强化技术便进入了新的发展阶段。 沸腾传热强化包括核池沸腾强化和管内流动沸腾的强化。核池沸腾强化技术 主要包括：各种特殊的处理表面、扩展表面、附着式强化物、表面振动、静电场、 机械辅助强化( 如搅拌) 、液体添加剂、抽吸等。其中效果较好且已被广泛地应用 于工程实践中的如美国u n i o nc a r b i d e 公司的 g h f x 管、日本日立公司的 t h e r m o e x c e l e 管和西德w i e l a n d w e r k ea g 公司的g e w a t 管等，他们采用 的强化技术主要是扩展表面。管内流动沸腾传热是沸腾传热研究领域的重要分支。 它广泛地存在于动力工程、核能工业、化学工业、石油工业以及各种加工工业的 换热设备和制冷空调工程中。所以，研究管内流动沸腾换热在国民生产与人民生 活中占有重要的地位，其强化传热的研究，对节约能源、减少贵重金属消费罱、 减小设备体积以及降低生产成本等都有重要的实用价值。 受到管内加工技术的限制，用于管内流动沸腾换热强化表面的形式比管外强 化表面耍少得多，主要有三大类1 7 l 如图1 1 所示： a 粗糙表面型，主要有烧结多孔表面、插入式螺旋线圈管和内线管。 b 扩展表面型，主要有螺旋内翅片管、三维内肋管、内插铝芯管以及各种其它形 式的内肋管等。 c 涡流装置型主要有扭带管等。 ( a 1 ) 插入式螺旋线圈管 f i ga lh e l i c a lw i r ei n s e r t e dt u b e 倒 ( a 2 ) 内线管 f i g a 2i n t e r n a lt h r e a dt u b e 图a 粗糙表面型强化管 f i gar o u g hs u r f a c eo f h e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t 1 绪论 ( b t ) 微翅片管( b ：) 商翅片管( b 3 ) 内插铝芯管 f i g b 】m i c r o - f i nt u b e f i gb 2h i g hp r o f i l ef i n st u b ef i gb 3i n t e r s e c t i n gf i n st u b e 图b 扩展表面型强化管 f i gbe x t e n d e ds u r f a c ee n h a n c e m e n tt u b e 图c 扭带管 f i g ct w i s t e dt a p ei n s e r tt u b e 图1 1 管内沸腾强化表面类型 f i g 1 1c a t e g o r yo f b o i l i n g e n h a n c e m e n ts u r f a c e 强化管内流动沸腾传热其目的主要是为了获得较好的换热性能。然而，在获 得较好的传热性能时不可避免地增加了流动阻力的损失。采用上述强化传热措 施的传热强化因子( 相对于光滑管) 不是很高，然而压力损失代价因子( 其阻力 损失与光滑管阻力损失之比) 却较大，一般都大于传热强化因子( 微肋片管除外) 。 迄今为l 卜，人们把注意力投向一种新型内扩展表面管微肋管。正如p a t e l 7 i 在评 述中指出：微肋管将是最有希望、最有前途的强化换热管。其原因是：一方面， 微肋管在最著提高传热性能的同时其压力损失仅稍有增加；另一方面生产微 肋管所需额外材料比其它形式的内部肋管少得多，生产成本能够大幅降低。微肋 管的流动沸腾传热系数大大高于光滑管，其原因j r t h o m e l 8 1 作了较为全面的评述 ( 假仍在不断地研究中) ，其主要内容包括： 1 微肋管单位长度润湿面积得到大大增加，这主要依赖于内翅片的数目、高 度、形状和螺旋角的大小； 2 微肋片的存在，强化了液相对流换热： 3 由r 毛细作用，在低质量流率时增加了管子的润湿程度，使分层流动区域 保持完全润湿，不象光滑管那样出现部分蒸干区域。 4 在肋片之间，或创造了更多的核化点，或屏蔽核化点和减轻了沸腾抑制的 4 重庆大学硕士论文 程度，从而增加了核态沸腾传热系数。 5 在高干度区涡漩对雾状流的影响，增加了对壁面的扰动，同时牵引液滴 流向壁面。 但是，由于管内流动沸腾传热的复杂性，特别是弯曲通道内的流动沸腾传热， 再加上微肋结构的影响其两者间相互影响关系目前还不很清楚，我们还有许多 值得去研究的问题；并且三维内微肋管以及制冷剂替代工质r 1 3 4 a 在微肋管中的 流动沸腾传热研究得很少，还很不充分。因此。进一步研究三维内微肋螺旋管内 的两相流动沸腾传热无论从工程实际应用，还是从学术价值上都有很大的现实 意义。 1 2 2 螺旋管内单相对流传热 早在19 0 2 年，w i l l l i a m s l 9 i 就观察 到：弯曲流道截面上的最大轴向速度 向弯管外侧偏移，g r i n d l e y 和 g i b s o n ( 1 9 0 8 ) t 1 0 在关于螺旋管内空气 粘性实验中注意到了曲率对流动的影 响。然后，e u s t i c e f l 9 0 l ，1 9 1 1 ) 1 1 1 1 1 1 2 i 通过在螺旋管内水流中注入墨水的方 法证实了二次流的存在，即流体在管 内形成两个对称的涡流( 又称二次流 或二：次环流) ，如图1 2 所示。 7 黟 图t 2 螺旋管内的二次流 f i g l2s e c o n d a r yf l o wp a t t e r ni nc o i lt u b e d e a n ( 1 9 2 7 ，1 9 2 8 ) i ”慑早提出，准则数d n = r e6 “5 是决定螺旋管内流动相似 性的雌一因素。其物理意义是指流体在管内作圆周运动时的离心力与粘性力之比。 式中r e 是以螺旋管管径为特征尺寸的雷诺数。6 = d d 表示螺旋管曲率，d 为螺旋 管的管径，d 为螺旋直径。 弯管内单相层流对流传热的一个显著特点是：由于二次流的混合作川，在丰h 同流率下其平均换热系数比直管高。局部的努谢尔特数在弯管的外侧达到最大值， 而在内侧为最小值。在相同情形下与直管相比，空气在螺旋管内层流换热强化比 ( n u 。n u 。) 高达2 - 5 倍1 1 4 1 ，并且还随d n 数的增加而增加。这主要是由于流体在 螺旋管内流动时，与轴向速度平方成正比的离- t l , 力使处于管子中心部分的流体趋 向管讣侧流动，使得在螺旋管内的整个流动截面上由外向内产生一个儿乎均匀 的压力梯度。然而管内截面各个位置上的轴向速度是不相同的，因此离心力也 各不相同。在管子的近内壁面处，轴向速度受粘性的作用而变小，然而此处的压 力梯度大于离心力的作用，使流体沿着管子内壁面的顶部和底部向内侧运动。这 1 绪论 个流动起始于截面外侧并终止子内侧，从而在整个截面上产生两个等量而相反的 旋涡，使截面上的流体发生混合。由于这种混合对流动具有稳定作用，使管内流 型的转变发生延迟，从而使螺旋管内由层流到湍流过渡的临界r e 数大大提高。 大多数螺旋管内单相湍流流动传热的研究都局限于流动充分发展时的情形， 对进口段t q 题的研究非常有限。h o g g ( 1 9 6 8 ) 1 1 5 | 的研究表明，螺旋管内湍流充分发 展所需进口段的长度远低于层流，在螺旋管管圈的一半甚至更短的长度范围内， 湍流儿乎达到充分发展。李隆键( 2 0 0 0 ) t “l 对两种曲率结构螺旋管内流体的湍流受迫 对流传热过程进行了分析，详细揭示了螺旋管进口段内湍流对流换热的发展过程。 螺旋管内的二次流对湍流换热i ! 王同样存在一定程度的强化作用，但强化效果远不 如层流显著。其原因在于：在湍流状态下热边界层铰薄，截面上由湍流引起流 体团间的混合作用比较强烈相比之下由离心力引起的二次流混合作用较弱，因 此二次流对控制湍流换热的较薄粘性底层的影响降低i ”1 。m o r i & n a k a y a m a y i ”i i ”i 用理论分析并结合实验，研究了不同p r 数的流体在螺旋管内湍流流动时的对流换 热性能。研究结果表明，与层流换热一样，螺旋管的湍流换热强化比n u 。n u 。是随 流体p r 数增加而降低。因此，空气在螺旋管内的湍流换热强化比为最大，但也仅 仪只有li i2 6 。由此可见，螺旋管内二次流对湍流换热的强化效果是不太明显的。 1 2 3 螺旋管内两相流动传热 螺旋管内两相流动传热研究主要是以流动沸腾过程中的临界热流密度( c h f ) 为重点。研究范围涉及过冷区、饱和区的蒸干( d r y o u t ) 以及蒸干后( p o s t d r y o u t ) 的传热问题。 c a r v e r l 2 0 1 等( 1 9 6 4 ) 发表了在高压下以水为工质的实验研究结果。实验采用直接 通电加热的疗式，d 为1 0 6 4 m m ，d d 为7 6 4 和3 1 0 。其结论是： a 螺旋管内发生沸腾传热恶化的临界干度，比直管高，螺旋管内壁温上 升的幅度比直管小： b d d 的比值愈小，则临界干度b 愈大： c 任螺旋管截面上的内、外、上、下四个点发生沸腾传热恶化的，值各 4 i 相同。 c u m o ( 1 9 7 2 ) 【2 l | 以r 1 2 为工质在螺旋管和直管内进行了干涸后的传热研究，分 析了螺旋管几何参数对干涸后传热的影响。d u c h a t e l l e i ”i 模拟快堆蒸汽发生器的工 作条件，用液态金属钠加热，测得控制壁温条件下的x 。，的值。实验压力为 45 - 1 75 m p a ，共有四裉相互平行的螺旋管圈( d d 分别为3 1 5 、4 0 5 、9 0 、1 3 5 ) ， 实验研究得到的计算关联式为： x c r = 1 3 9 1 0 。4 矿7 3 2 g 。02 0 8 口扎0 0 2 4 6 9( 1 1 ) 6 重庆大学硕士论文 式中，q 为热负荷，单位为w m 2 ： g 为质量流速单位为k g ( m 2 s ) ： p 为压力，单位为d a ； j e n s e n 和b e r g l e s ( 1 9 8 1 ，1 9 8 2 ) 1 2 3 l 【2 4 1 研究了从过冷区到饱和区( 有干度区) ，螺 旋管内的临界热流密度( c h f ) 和热流密度的不均匀性对螺旋管内c h f 的影响。 实验工质选择r l l 3 ，目的是用低沸点制冷剂来模拟高压下的水。他们总结了前人 的研究成果，认为螺旋管内流动沸腾换热以及压降特性和直管之间的差异主要足 由于前者形成了附加于主流的二次流。关于螺旋管的c 晦问题有以下结论： a 与竖直管相比，螺旋管的c h f 工况发生在不同的蒸汽干度和周向位置 上，并且在特定周向位置发生c h f 时具有更高的局部千度； b 竖直轴线的螺旋管发生c h f 工况的周向位置取决于离心力和重力的 相对大小： c 在有干度区( q u a l i t yr e g i o n ) ，具有较小螺旋半径的螺旋管因具有更强 的离心力由此而产生的二次流，在相同热流密度下有更高的临界干度； d 对给定的螺旋管而言，如果其i 晦界千度相同，当质量流速增加到1 0 0 0 k g m 。s 1 时，通常会引起有干度区c h f 的增加( 这与直管中通常观察 到的情形相反) ：而质量流速的进一步增加将会导致c h f 的下降； e 在过冷区当过冷度不变时，螺旋管的c h f 比直管要低，在零干度附 近情况则相反；干度很小的变化将会导致螺旋管的c i - i 蛋 从低于直管变 化到高于直管。 s t y r i k o v i c h 等( 1 9 8 4 ) 1 2 5 1 在压力98 1 1 76 m p a ，质量流速5 0 0 - 1 5 0 0k g m 2 s 一，热 流密度1 0 0 1 5 0 0k w m 。的工况范围内进行了螺旋管c h e f 实验研究。其主要结论是： a 临界蒸汽干度比垂直向上直通道中的要高许多，且随着压力和质量流 速的增加，螺旋管内临界蒸汽干度有所下降： b 螺旋管内蒸干后区域的传热效果较之于直管要好，壁面的温升随压力、 蒸汽干度和质量流速的增加而降低； c 质量流速g 5 0 0k g m 2 s 1 时流动方向( 如向上流动或向下流动) 不 影响c h f 的大小。 c h e n 和z h o u ( 1 9 8 5 ，1 9 8 6 ) 2 6 1 1 2 7 1 认为：在螺旋管内的两相流动中，连续相中仍 然存侄二次流。他们的理论分析表明：在环状流中( 液相为紧贴壁面的液膜) ，存 在着两对对称的漩涡，即环状液膜和蒸汽芯中均存在二次流。他们同时指出：在 某一一位置上，液相中二次流的速度比其轴向速度要低l 2 个数量级。与直管相比， ：次流的存在会使压降与传热效果都增大。 b e r t h o u d 和j a y a n t i ( 1 9 9 0 ) 1 2 8 j 认为：在直管中，从未蒸干到全部蒸干的转变只需 1 绪论 经历一小段管长，因此在稳定工况下，该转变可被认为是一个点的转变。然而， 螺旋管中的这种转变却要经历相当长的管长。因此，把螺旋管的蒸干当作一个转 变点。即蒸下发生在某一个轴向位置这一结论是不正确的。螺旋管中蒸干的完整 描述应包含以下几方面： 1 、以热力干度定义的蒸干起始位置包括管轴向和周向： 2 、部分蒸干区的长度，它很重要但不容易计算出来； 3 、该区域中热力不平衡的预测。 通常情况下，该区域两相间的不平衡可予以忽略，假设部分蒸干区的实际干 度就等于热力干度( t h e r m o d y n a m i cq u a l i t y ) 。螺旋管中的环状流区液膜厚度可凶 以下四种机制而改变： a 以液滴的形式被夹带( e n t r a i n m e n t ) ； b 液滴的重新分布； c 相变； d 由于二次流导致液膜的重新分布。 lg u o - 等( 1 9 9 8 ) 1 2 9 做了不同轴线倾角的螺旋管内水蒸汽两相传热实验。作者 认为蒸汽芯中的二次流和蒸千点附近的壁面导热是螺旋管内高干度区蒸千的主要 机制，并将这种情形下的蒸干描述为：随着干度的增加，液膜厚度不断减小，管 内蒸汽芯区域逐渐扩大，汽芯中的二次流增强，导致汽一液界面尤其是目= 9 0 。 ( 顶部) 和= 2 7 0 。( 底部) 附近的汽一液界面间剪切力增强。因此，蒸干首先发 生在这些位置。当第一个蒸干点出现以后，该点附近的液膜就被蒸发，蒸于区域 向周围扩展。由于蒸干点处的壁温高于周围区域，蒸干区域就向四周导热。因此， 就存在两种相反的效应：一是因蒸发导致蒸干区域的扩展，它将使蒸干点的壁温 升高：另一方面蒸干点附近管壁导热又会降低该点的壁温，使其与附近区域壁 温趋于一致。当前者处于主导地位时，蒸干区将扩大；否则，第一个蒸干点将消 失。如果：者维持平衡，蒸干就被限制在一两个点上，或者就在该区域发生热振 荡( t h e r m a lo s c i l l a t i o n ) 。 螺旋管内强制对流沸腾传热问题也有不少研究者发表了各自的实验结果。 o w h a d i ( 1 9 6 , h ) 1 3 0 1 等在大气压下进行了水在螺旋管内的两相流动沸腾传热研究，其 结论为：平均传热系数与质量流速有关，局部传热系数以管外侧为最大。他们还 发现在干度爿软小处，螺旋管内侧点的局部传热系数最大。这是因为弯管内侧 的管壁较厚，通电加热时发热量大，气泡产生多，对液相的扰动较大。在变大 后，由于传热的主要方式不再是泡核沸腾，因此情况有一些变化。他们用 l o c k h a r t m a r t i n e l l i 参数来整理其传热系数和摩擦压降数据。 c a m p o l u n g h i ( 1 9 7 7 ) 1 3 。i 等做了直流蒸汽发生器的全范围实验。其实验段进口为 重庆大学硕士论文 过冷水，出口是过热蒸汽。他们用热流密度和系统压力将沸腾传热系数整理成自 量纲形式： 加= 1 1 2 2 6 矿6 p o ”埘( i2 ) 他们指出：在这种隋形下均相模型不能很好地预测螺旋管内的压降。 c h e n 和z h o u ( 1 9 8 6 ) t2 6 i 的实验结果表明强制对流沸腾的局部传热系数几乎小受 蒸汽”蔓、质量流速、压力和螺旋管断面位置的影响。在实验研究的d d 范围内 ( d d = 00 8 1 8 ，o0 3 9 6 o0 2 0 1 ) ，该参数对强s s j x 十流沸腾传热的影响l i 很明显也 许与它对单相紊流的影响没有本质的区别。与直管相比，螺旋管一个明显的特征 是它延缓了从润湿壁面向千壁面工况的转变。螺旋管内两相沸腾传热系数在管子 各个侧面上都很高，约2 0 3 0k w m 2 k 。系统压力对强制对流传热的影响很小。 lg u o ( 1 9 9 8 ) 1 2 9 i 等将螺旋管内的沸腾换热过程划分为核态沸腾区( n b ) 、强制 对流i 式( f c ) 和蒸千后区( p d ) 。在系统压力为04 3 5 m p a 范围内，各区域问发 生转变的平均干度是：从n b 区向f c 区转变x = 0 0 3 3 - - 01 3 6 ，从f c 区向p d 区转 变x = 05 8 - 09 4 。实验表明在不同系统压力和轴向倾角条件下，各换热区间转变 点的临界于度均随系统压力的增加丽增加。转向倾角竖直向上时，临界干度具有 最小值而当螺旋管水平放置时，临界干度具有最大值。当倾角为4 5 。向上或l _ 下时，临界干度介于前两者之间。由于传热系数随着系统压力的升高有明显增加， 因此作者在用l o c k h a r t - m a r t i n e l l i 参数整理实验数据时，以系统压力与临界压力之 比的形式考虑了压力对传热系数的影响。 1 ，2 ，4 螺旋管内两相流型及其压降 螺旋管内两相流动的流型研究主要是以绝热状态下空气一一水两相流动为 主。l 撕安交通大学的陈学俊等人1 2 2 在这方面进行了比较系统的研究。他们分j ；i j 对 立式i 柚上流动、立式向下流动、卧式螺旋管等不同轴向方向的流动进行了系统的 实验。理论分析，确定了螺旋管内各种流型及各流型之间转变的判据。然而，在 自u 热状态下螺旋管内两相流动流型的研究，目前还未见有关报道。 d ：以立式螺旋管向上流动的研究过程中，实验管圈使用内径2 2 m m 、壁厚4 r a m 的有机玻璃管弯制而成，d d = 58 6 4 l3 6 ，螺旋上升角n = l2 - 1 2 0 。实验的气、水 速度范围是：水折算速度t t l s 为o0 4 27m s ，空气折算速度u o s 为o2 1 8r n j s 。在 实验一扎观察到螺旋管中气一液两相流流型类似于水平管中观察到的流型有分崖 流、拄塞状流、波状流、块状流、分敬泡状流以及环状流等。他们分别以气相、 液相折算速度为横纵坐标，绘制出了各流型之间的转变关系曲线，并且提出了备 流型间转换的关联式，如图1 3 所示。 在进行螺旋管流型的理论分析过程中，他们认为气液两相流各种流型的出现 ! 堡鲨一一 及其转换是由气液两相上各种力的相互作用及平衡引起的。在管内气- 液两相流动 情况下，当取管于的内径为特征尺寸时，则作用在流体上的力可分别表示为：惯 性力( o5pu 2 ) 、粘性力( pu d ) 、重力( pg d ) 和表面张力( 。d ) 。由量纲分析 可以得到以f 的无量纲数： r e ：型! ：蔓 l3 ) u 肫：旦! ：! 盯 疗：旦 g d f g = g d 肌砜薪 ( 14 ) ( 15 ) ( 16 ) ( 17 ) 再加上折算速度比u 曲g s 、密度比p pg 、粘性系数比ul uo 和螺旋管结构参数 d d 、。等，即可比较全面地来描述各种流型之间的相互转换。由此可以得出以下 几条转换边界曲线： 1 、波状流向问歇状流或环状流转换边界曲线： ，- “( s 删4 ( 1s s 删“矧n ( i 哪曙5 = ( 剖 ( 1 s ) 2 、问歇状流向环状流转换边界曲线： 川w e ( d ) 。? = o 8 1 6 ( u o s1 c 。， 3 、间歇状流向分散泡状流转换边界曲线： 1 ( d p l d r ) 。1 ( f ，。一p 。) g 未知r 观，”矧”咐6 计算中各有关常数取值如下： pl _ 1 0 0 0 k g m 3 ，pg = l3 k g m 3 ，。一o 0 7 n m ，ul = 10 1 0 3 k g m s g = 9 8 州s 2 ， ( 印出) 。l = 昙q 。互1 见z ，孟 o 磊 重庆大学硕士论文 其中c ，按照i t o 公式计算： 悟删。，似r e , 引2 1 根据实验数据，他们观察到如下现象：随着螺旋上升角a 的增加，波状流 向环状流或弹状流转换的边界曲线向水流量减小的方向缩小：柱塞状流向弹状 流转换的边界曲线向气流量减小的方向移动。当a = 1 2 。时，在实验气、水流 黛范围内已经观察不到波状流。a 角对向环状流或向分散泡状流转换的边界曲 线几乎没有什么影响。随着螺旋直径d 的减小弹状流与环状流、柱塞状流 与弹状流之间的转换边界曲线向空气流量减小的方向移动，前者移动幅度较 小：波状流向环状流或弹状流转换的边界曲线向水流量较小的方向略有缩小。 并且随着d 的减小，在同样的气流量下，向分散泡状流转换的所需水流量增 加，转换边界曲线在流型图上的斜率也有增加的趋势。 - )口i 蕾，1 。i 2 t b d 一k i _ s 。( c do“髓3 m i i r 秘蠢 分i 分t 糟 坟鼍 4 鲥删巨 r l 。 爹 蝴 卜 耄 坎t 融。j 多 奢辕 耋枞 1 爹； 鼍 心 譬孳 1 乡 萎 拄l 赣鼍t jk t 隹敷t t陡一 性扶鼍 t i d ，o5 d j “) 1 0 m 0 ) -5 口。“n i r ) tl5 d =i l 2 9 m 舟t 蠢旁i 精矗 升t 糟牧童 ：纳，卅!”_ 1 桫 亡- 乡 弹轶蠢：环抗赢 秀 状蠢 ：牟轼 l愀蠢 ： 环状蠢 乏 - i 乏 ， ， i ； ， ? 5k 墨 一 f t 警牧童 礁t谴往l 轶蠢到t 渡jt 派 p o “n ，s ) 图13 螺旋管流型图 f i g t 3f l o wp a t t e r ni nt h eh e l i c a lt u b e 此外w h a l l e y ( 1 9 8 0 ) ”l 用内径2 02 m m ，壁厚o 9 m m 的铜管弯制成直径t 1 1 1 ， 螺旋爿。角为6 。的螺旋管，用空气水两相混合物做了实验，并且在测量位置处加 入一小段有机玻璃管来实现对流型的观察。作者观察到了分层流向环状流的转变， 并分别以气、液相折算速度为横纵坐标，给出了两种流型的转换边界曲线。实验 1 绪论 中作者发观在分层流下所有液体质量速率范围内，当气相质量速率较低时，液 体大部分是集中于管子的底部；然而当气相质量速率增加时，由于离，i i 力影响 的作用增人，液相逐渐地向管内侧移动，形成所谓液膜倒置现象。并且参考前人 的液膜倒置判据提出厂计算气相递度的估计式： c 以； 等 k 其中= 熹f + 等j i f 等c c - t z ， 在螺旋管内两相流动压降研究方面，各国的学者也作了大量工作。 w h a l l e y ( 1 9 8 0 ) 1 3 2 1 测量了环状流区沿管周向的局部液膜厚度、液膜流率和压降，提 出了计算加速压降与重力压降的关系式： f 等1 ：等饥g s m 0 1 3 ) l 万上2 了中c ( 差) 。= 鲁坚d z n 旧 d z ) p p 。 、 并且认为重力压降不会超过两柱流动总压降的1 ，加速压降不会超过总压降的 4 ，其余的均为摩阻压降。 u n a l 等( 1 9 8 0 ”i 报道了加热状况下螺旋管内水蒸汽两相流动压降的实验结 果提出了相应的经验关系式，其计算值与实验值的偏差为2 0 。 在这方面，陈学俊等人1 2 2 1 也做了不少工作。绝热和非绝热两种情况，他们都 进行了实验，并提出了计算螺旋管内两相流压降的计算关联式。以加热条件下， 水一蒸汽的流动为例。实验范围：加热热流密度0 0 0 5 7 m w m 2 ，进口千度0 0 0 8 1 质量流率5 0 0 0 2 7 0 0 o k g m 2 s 。实验结果和理论分析均表明：螺旋管的曲率直径和 管子直径之比6p d d ) 越大两相摩擦阻力也越大；并且随6 值增大，摩擦阻力也 越大：加热和不加热对螺旋管内两相摩擦阻力影响不大，两种情况下的实验数据 均可用如卜计算式来关联： 。= 善r 。( i1 5 ) ；2 ；6 2 r e 孑“ 1 + ( 等一1 ” ，。， ，+ t ( 告一， z + ，+ 1 ： ( 5 ) 、在流动截面上，沿轴向的压力梯度相等，即，a p o , = c o n s l ； 图6 1 螺旋管控制方程坐标系 f i g6 1t h eg e o m e t r yc o n s i d e r e d 如图61 坐标系，可得在上述假设条件下的数学模型： 连续