（热能工程专业论文）内斜齿螺旋槽管管内传热及阻力特性的实验研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 内斜齿螺旋槽管是一种异型螺旋槽管，在热交换器中已经 应用，使用内斜齿螺旋槽管的换热器换热效果较好，以 有的文献未对其进行任何研究，本文通过实验对内斜齿螺旋槽 管管内的传热和流动阻力特性进行了研究，分析了内斜齿螺 旋槽管管内的换热和流动规律，为其在实际中的应用提供 理论支持。 首先对内斜齿螺旋槽管管内流动用p h o e n i c s 软件进 行了模拟，模拟内斜齿螺旋槽管管内流动的速度场，得出了一 组图像，直观的显示了螺旋槽管管内流体流动的情况，内斜齿 螺旋槽管使管内流体发生旋转，肋间产生涡旋，说明内斜齿螺 旋槽管通过减薄边界层的厚度来实现强化传热的目的的，体现 了内斜齿螺旋槽管强化传热的机理，验证了以往对螺旋槽管的 理论研究。 本文采用单管热交换器，对三种不同参数的内斜齿螺旋槽 管进行了多组实验，在不同条件下进行了性能测试，得出大量 的实验数据。对实验结果进行了分析，从换热量、传热系数、 管内对流换热系数等方面与光管作了比较，指出内斜齿螺旋槽 管具有较好的强化传热效果，是目前最简单、有效的强化传热 元件之一。并根据实验数据，用最小二乘法拟合出内斜齿螺旋 槽管管内对流换热的n u s s e l t 准则方程式和阻力系数准则方程 式，在拟合过程中，用v i s u a lb a s i c 计算机高级语言编出计算程 序，完成复杂的计算。采用w e b b 方法，对内斜齿螺旋槽管进 行了热力综合评价，推导出换热量q 、换热面积f 和泵功率n 性能评价准则，指出在实验的内斜齿螺旋槽管中，4 号内斜齿螺 旋槽管的综合性能最好，在实验工况下，4 号内斜齿螺旋槽管的 综合性能都优于光管。对2 号和3 号内斜齿螺旋槽管，在 r e 2 5 0 0 0 时，综合性能才优于光管，说明低齿小节距的螺旋槽 山东大学硕士学位论文 管传热性能好，这和以前对螺旋槽管的研究结论相一致。因此， 内斜齿螺旋槽管在一定条件下，具有较好的经济性。最后得出 了如下结论：内斜齿螺旋槽管对管内对流换热具有明显强化作 用，传热量q 、传热系数k 和管内对流换热系数口，比光管有较 大幅度的提高，特别是在冷却水流速较低时更为突出，同时对 管外凝结换热也具有强化作用，是目前最有效的强化换热技术 之一：内斜齿螺旋槽管的穹嘭光、k 光、7 么光都随着冷却 水雷诺数的增加而呈下降趋势；内斜齿螺旋槽管管内流体阻力 比光管增加较大，因此内斜齿螺旋槽管适用于低雷诺数的管内 对流换热。、，一 主题词： 宴竺宴! 梦槽管晔传热 对流换热哩塑塑性 a b s t r a c t t h ei n n e rc h u t e s p i r a l l y c o r r u g a t e dt u b e w a sa na b n o r m i t y s p i r a l l yc o r r u g a t e dt u b e ，i th a db e e nu s e di nh e a te x c h a n g e r s i t s e f f e c to fh e a tt r a n s f e rw a sb e r e r i nt h i sp a p e r , t h ee x p e r i m e n t a l i n v e s t i g a t i o no fi n n e rc h u t e s p i r a l l yc o r r u g a t e dt u b ew a sc a r r i e d o u to nh e a tt r a n s f e ra n df r i e l i o n a lc h a r a c t e r i s t i c si n s i d et u b eu n d e r s t e a mc o n d e n s a t i o nc o n d i t i o n r u l e so fh e a tt r a n s f e ra n df l o wi n t u b eh a db e e na n a l y z e d t h e o r e t i ca s s i s tw a sa f f o r d e dt oa c t u a l a p p l i c a t i o n o ft h ei n n e rc h u t e s p i r a l l yc o r r u g a t e dt u b e a tt h ef i r s t ，t h es i m u l a t i o no ff l o wi ni n n e rc h u t e s p i r a l l y c o r r u g a t e dt u b ew a sc a r r i e d o u tu s i n gp h o e nic s s o f t w a r e ，a n d s o m e i m a g e s w e r e o b t a i n e d t h e yd i s p l a y e di n t u i t i v e l y t h e h y d r o f l u x i o ni ns p i r a l l yc o r r u g a t e dt u b e ，c i r c u m g y r a t i o na n db o w w a v ec a nb es e e n ，m a t e r i a l i z e dt h em e c h a n i s mo fh e a tt r a n s f e r e n h a n c eo fs p i r a l l y c o r r u g a t e dt u b e ，a n dv a l i d a t e d t h et h e o r e t i c s t u d i e sw h i c hh a dd o n e t h ee x p e r i m e n t so ft h r e es i n g l e p i p eh e a te x c h a n g e r so fi n n e r c h u t e - s p i r a l l yc o r r u g a t e d t u b ew i t hd i f f e r e n t p a r a m e t e r s w e r e c a r r i e do u ta tt h ee x p e r i m e n t a ls e t ，a n dal o to fd a t aw e r eg o t a n a l y s i s f r o mh e a t q u a n t i t y a n dh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ta n d c o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n tw a sm a d eo nt h er e s u l t so f e x p e r i m e n t s t h e i n n e r c h u t e s p i r a l l yc o r r u g a t e d t u b ew a so n e c o m p o n e n t o fe n h a n c e dh e a tt r a n s f e rw h i c hw a s s i m p l e a n d e f f e c t i v e e x p e r i m e n t a l c o r r e l a t i o n st h a tb a s e do ne x p e r i m e n t a l d a t aw e r eo b t a l n e dt oc a l c u l a t ec o n v e c t i o nh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t a n df r i c t i o nr e s i s t a n c ec o e f f i c i e n ti n s i d et u b e ，a n dc o m p u t a t i o n a l p r o c e d u r e h a db e e n p r o g r a m m e du s i n g v i s u a lb a s i c t h e t h e r m o d y n a m i c a l l yp e r f o r m a n c e e v a l u a t i o nw a sm a d e ，a n dr u l e so f t h e r m o d y n a m i c a l l yp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o nh a db e e nd r a w , a n di t w a s g i v e n t h a tt h e s y n t h e s i sp e r f o r m a n c e o fn o 4i n n e r c h u t e s p i r a l l yc o r r u g a t e d t u b ew a s b e s t ，a n d t h e s y n t h e s i s p e r f o r m a n c eo f n o 2a n dn o 3i n n e rc h u t e - s p i r a l l yc o r r u g a t e dt u b e w a sb e t t e rw h e nr e 2 5 0 0 0 t h er e s u l ts h o wt h a tt h i st u b ec a n p r o m i n e n t l y e n h a n c e dt h ec o n v e c t i o nh e a tt r a n s f e ri n t u b e ， s p e c i a l l ya tl o wv e l o c i t yo ff l o w , a n ds od oa tc o n d e n s a t i o n i tw a s o n et e c h n o l o g yo fe n h a n c e dh e a tt r a n s f e r , w h i c hw a st h em o s t e f i e c t i v e t h e v a l u e 。f 、。、w e r e d e c r e a s e w i t ht h e i n e r e a s eo fr en u m b e r t h er e s i s t a n c eo ft h ei n n e rc h u t e s p i r a l l y c o r r u g a t e dt u b ew a sb i g g e rt h a ns m o o t ht u b e ，s oi tw a st h es a m e w i t hf l h eo f1 0 w e rr e n a u l tn u m b e r k e y w o r d s ：i n n e rc h u t e s p i r a l l yc o r r u g a t e dt u b e e n h a n c e dh e a t t r a n s f e r c o n v e c t i o nh e a tt r a n s f e r f r i c t i o n a lc h a r a c t e r i s t i c s 山东大学硕士学位论文 主要符号表 管道流通面积，m t 比热容，定压比热容，j ( k g ) 管道直径，m 管道内径，m 管道外径，m 体积直径，m 管内螺旋槽深，m 换热面积，m 2 内表面积，m 2 外表面积，m 阻力系数，指数 管外螺旋槽深，m 质量流量，k g ( m s l 总体传热系数，w f f m k ) 长度、管长，m 指数 n u s s e l t 数，n u = a d a 节距，m 外部螺旋凹槽的宽度，m 内部螺旋凹槽的宽度，m p r a n d f l 数，p r = u a 换热量，传热量，w 半径，m r e y n o l d s 数，r e = p v d p 管内螺旋节距，m s t a n t o n 数，s t = a p v c 。 温度， 进出口平均温度， 进口温度， ad也如曲。f r r 厂h g k l n 凡彰f n q r k。吼。一， 山东大学硕士学位论文 1 o s w v m m a x m l n 出口温度， 对数平均温差， 速度，m s 指数 指数 指数 希腊字母 换热系数，w ( m k ) 螺旋角，( o ) 导热系数，w ( m c ) 动力粘度，p a j 运动粘度，d = p ，m s 管壁厚度，m 密度，k g m 3 耗散率 下标 管内 管外 光管 壁面处 体积 平均值 最大值 最小值 m ，出 v x y z 口兄 d 万 p s 山东大学硕士学位论文 1 1引言 1 绪论 热交换器是化工、动力、冶金、能源、轻工、食品、航天 等各种工程领域中普遍使用的设备，对国民经济有着十分重要 的影响。它不仅是一种广泛应用的设备，并且在某些工业企业 中占有很重要的地位。据统计，在石油化工行业，它的投资要 占到建厂投资的2 0 左右，它的重量占工艺设备总重的4 0 ； 在年产3 0 万吨乙烯装置中，它的投资约占总投资的2 5 ；在我 国一些大中型炼油企业中，各式热交换器达到3 0 0 5 0 0 台以上 ；在制冷机中，蒸发器和凝结器的重量占机组总重量的 3 0 4 0 ，动力消耗占2 0 3 0 1 2 】。可见换热器对整个企业投资、 金属耗量以及动力消耗有着重要影响。随着世界性能源的短缺， 减少能量消耗引起了世界各国的普遍关注。设计和制造各类高 性能换热设备是经济地开发和利用能源的最重要手段，强化换 热器的传热过程，提高传热效率，提高紧凑性，降低材料消耗 仍是换热器发展重要的趋势。 强化传热是在二十世纪6 0 年代发展起来的一种先进技 术，但它的起源要追溯到1 8 世纪初，当时n e w t o n 在提出著名 的对流换热冷却公式时，提出让风吹过物体表面以强化对流换 热，从此，人们就开始了对强化传热的研究。在之后的几百年 中，陆续发展了强化传热的新方法、新技术，发明了强化传热 的新元件。但在二十世纪7 0 年代之前，强化传热技术并没有受 到世人的重视，只能说处于自然发展阶段。强化传热技术的大 力发展则是在二十世纪7 0 年代之后，特别是7 0 年代至8 0 年代 前期，当时出现的石油危机大大刺激了它的发展，这段时期是 强化传热研究发展的鼎盛时期。多年来，强化传热技术已经完 成了从实验室研究到商业应用的转变，开拓了传热传质学的新 领域【3 】。 人为地增大传热表面的粗糙度是增强传热简单而有效的 山东大学硕士学位论文 方法。人工粗糙传热表面的方法很多【4 l ：在表面上烧结或涂敷 成整体砂粒型粗糙表面；或在表面上冲压、碾压、滚压、轧制 成螺纹、连续或不连续的突起、坑洼、槽道；或在传热面上间 隔一定距离粘贴、套、衬、绕圆形、半圆形、方形条、带、丝 状物均属于表面粗糙化的范畴。从4 0 年代c o p e 发表第一 篇报告起，粗糙表面强化传热技术已发展了6 0 年【舢，螺旋槽管 是其中的一种。 从第一篇有关螺旋槽管的研究报告发表起，就引起了世界 各国的高度重视和广泛研究。螺旋槽管以其优良的双面强化传 热特性和良好的机械加工性能而优越于众多传热元件。美国 a r g o n n e 国家实验室和g a 技术公司设计制造的螺旋槽管换热 器，其传热性能比光管换热器提高2 4 倍i 卯。美国加州g a 技术 公司开发的螺旋槽管，实验表明其传热系数比光管提高4 倍， 比一般的扩展表面提高1 5 倍【5 】。日本丸诚重工株式会社设计的 m s j s p 换热器代替原设计的光管，总体传热系数提高了2 倍 j 。德国h d e 公司的螺旋槽管当2 3 0 0 r e 1 0 5 时传热系数比光 管提高2 3 1 1 倍，当3 0 0 r e 2 5 r a m 时 厂= o 2 7 3 h p “5( 1 5 ) 当r e = 2 1 0 35 x 1 0 4 ，h 2 5 m m 时 f = 0 2 7 3 ，p - 0 , 5 ( 丽r e 矿) “2 ( 1 7 ) 当r e = 5 1 0 4 2 x 1 0 5 ，h 2 1 0 3 时，p 4 0 4 d i 。 最佳的h 值是当r e = 2 1 0 38 x 1 0 3 时， o 0 4 d l h 3 1 0 4 时，h 0 0 4 d i 。 前苏联学者认为，螺旋槽管的换热还与介质有关，如工质 为水和工质为空气的换热规律不同。g a b a l i b o v 9 1 推导的以空气 为介质的螺旋槽管的传热公式为： n u = 0 0 5 6 r e “3 p r o 4 3 e ) “5 ( 导) “3 ( 1 9 ) 4 山东大学硕士学位论文 摩擦系数公式为： 丢小器也s 南dh 括c o s 卢 六( p ) 2。一、4 。 国内对螺旋槽管的研究以东南大学、华南理工大学、重庆 大学、北京理工大学为代表。 重庆大学的程俊国等人，以空气为实验介质做传热实 验，他们认为最佳结构为：p d i _ o 5 0 7 5 ；h d i 0 0 5 4 。 华南理工大学的李向明等以水为介质做实验，用r 函 数和g 函数对实验数据进行关联，并在冷态下做阻力实验： 研： 型鲨 ( 1 1 1 ) 3 ，4 2 l n ( d 2 h ) 一4 6 4 + g + ( 毒) o 5 3 4 2 l n ( d ，2 h ) 一4 6 4 + 1 2 5 ( h a ，) “”7 ( p h ) o 5 ， ( 9 0 ) - o 8 6 9 e x p 。f 1 ( 。i n 0 r o ( e p - 9 6 ) 一2 i ) 3 2 8 ( 1 1 2 ) 其中 g + = 0 4 7 8 ( h d 。) “1 ( f l 9 0 ) “8 6 9 p r o ”( h + ) “0 1 “( ，1 h + 为粗糙雷诺数，h + = r e 厂2 。 d l 上面式子的适用范围为：r e = 1 0 48 1 0 4 ，h d i _ o 0 0 9 9 0 0 6 9 ， p h = 7 6 9 - 3 9 7 ，p r = o 7 1 - 3 7 6 。此关联式的偏差在1 0 以内。李 向明等通过实验认为单头螺旋槽管的最佳参数为：螺旋角接近 9 0 。；h d i = o 0 3 8 3 ；p h = 7 6 9 ，此对的传热性能最好。 东南大学王泽宁、周强泰等以空气为介质对螺旋槽管 进行了系统的研究。他们的结果是： n u = o 2 8 7 r e o 7 8 p r 0 4 ( h d ，) o ”( p h ) “2 7 ( 1 1 3 ) f = 7 3 2 r e “( h d 。) o “( p d ，) “7 0 ( 1 1 4 ) 上式适用范围：r e = 1 0 4 1 0 5 ，h d = 0 0 2 5 0 0 5 5 ，p h = 9 2 0 。 邓先和、邓颂九等1 3 1 采用将粗糙管的流体分为三层虚拟 的流动模型，对流体在粗糙管管内及管问湍流流动阻力与传热 进行了研究，根据实验数据得出了关联式。 山东大学硕士学位论文 传热关联式： 研：上磐了 ( 1 1 5 ) 1 + 1 4 ( p r2 ”一1 ) m h = 0 3 4 4 r e ”p r o6 “e x p - 0 8 7 s ( h d , ) + 5 9 9 l n ( p h ) 一1 1 ( f l 9 0 ) 17 】 n = 一5 4 9 9 2 o l ( h d 。) 一1 4 ( p h ) + 5 5 3 8 p r o “ 阻力关联式： f = 7 = = = = = = = = = 一 ( 1 1 6 ) k i n ( r e 矿) 一3 7 2 k + 彳】2 k = 2 6 - 0 1 e x p 一1 0 3 ( h d ，) 。1 2 2 ( p h ) + 1 8 2 厕i + o 4 1 l ( f l 9 0 ) 川+ b a r c 辔( a c 喀( 扣k 1 n 5 0扫6 b = 1 4 7 e x p 一1 4 9 ( h d , ) 一4 2 4 4 h 谚一1 7 8 ( p h ) 一2 5 1 ( f l 9 0 ) + 2 8 ( f l 9 0 ) o ”】 传热和阻力关联式的结果与实验数据偏差在1 5 以内。 1 2 2 有相变传热 研究表明，螺旋槽管对管外凝结也具有强化作用。 w i t h e r t 6 1 研究表明，将螺旋槽管用于凝汽器，当冷却水侧 阻力相同时，与光管相比，凝结侧的凝结换热系数可提高 3 5 - 5 0 。应用螺旋槽管后，可使凝汽器的传热管束比用光管 节省3 0 5 0 。 日本学者茂木岩夫等【1 4 】用1 0 0 c 的饱和蒸汽做水平单头 螺旋槽管的管外凝结换热实验，发现螺旋槽管的凝结换热系数 比光管大2 _ 3 倍。 b l u m e n k r a n t z 等【1 5 】用3 5 头螺旋槽管做管外凝结实验， 发现管外的凝结换热系数可比光管大2 倍以上。 6 山东大学硕士学位论文 m e h a ，m h i m 】曾对螺旋槽管的凝结换热做了一系列实验， 在管径不变的情况下改变螺旋槽节距和槽深以获得最佳几何尺 寸。实验铝管外径d 。= 1 9 5 m m ，壁厚1 8 m m ，螺纹节距p = 6 3 5 m m ， 槽深h 从0 1 3 m m 变化到1 4 m m ，螺旋槽管管外换热系数与光 管的管外换热系数的比值先随着螺旋槽深h 的增大而增加，当h 达到0 3 5 r a m 时，二者的比值达到最大，约为1 3 8 ，随后其随 螺旋深度h 的增大而减小。 东南大学的张红星 1 7 1 等人通过对蒸汽横掠水平单头螺旋 槽管凝结换热的研究，得到如下结论： 螺旋槽管凝结换热强化程度大于管内对流换热的强化程 度，这对于凝结换热系数较低的工质来说，具有重要的意义。 获得管内对流换热准则关联式： n u 。= 0 , 3 6 3 r e 0 6 p r 0 4 ( p z ) - 02 9 ( z ) o ”3( 1 1 7 ) 适用范围：r e = 2 x 1 0 4 8 1 0 4 ，o 5 h l ，1 0 p 2 0 ，误差在 1 0 以内。 阻力系数关联式： f = 1 3 5 ( r e 1 0 4 ) “3 ( h d ，) o8 2 ( p d ，) “0 1 上式适用于： r e = 2 1 0 48 x 1 0 4 ，h p o 0 6 2 5 。 管外冷凝换热准则方程式： c o = 0 9 9 7 雕“2 r e ：”p r 0 5 2 9 ( g a 1 0 8 ) 1 ”( h d 。) o4 ”( p d ，) “” ( 1 1 8 ) 上式适用范围：r e s = 1 3 0 3 0 0 ，o 5 h l ，1 0 p 2 0 ，上式误 差为2 0 。 金安1 1 8 1 对凝结换热条件下的不锈钢螺旋槽管进行了强化 传热研究，通过对3 组不同槽深、螺纹距的研究，得到传热和 阻力关联式。传热公式： n u 。= 1 3 r e 0 5 3 8 ( p d ，) 0 2 8 9 ( p h ) “7 5p r 0 4 ( 1 1 9 ) 上式适用范围：0 0 5 一h p 0 1 ，1 0 1 0 4 r e 6 0 1 0 4 ， 山东大学硕士学位论文 3 4 p r 4 6 。 凝结换热准则关联式： c o = 0 2 5 r e s o ”矿1 6 p 0 4 5p r o 5 5 ( 1 2 0 ) 上式适用范围：5 0 r e s 1 2 0 ，1 0 1 0 4 r e 6 0 1 0 4 ， 0 8 h 1 0 ，p = 1 0 。 阻力公式： f = 1 4 8 1 r e “2 ( p d ，) o ”4 ( p h ) “”3 ( 1 2 1 ) 适用范围：0 0 5 h p 一 o 0 8 ，1 0 1 0 4 r e 4 0 1 0 4 ， 3 4 p r 4 6 。 f = 2 4 8 r e = 0 0 6 ( p d ，) o8 ( p h ) 。0 “( 1 2 2 ) 适用范围：0 0 8 2 、 2 0 0 0 0 时，交叉 螺纹管的传热效果优于单头螺旋槽管。 矿w 弋夥一弋彤一) 臻、j誓i 一? 前 图1 3 交叉螺纹管的结构 综上所述，国内外对螺旋槽管管内的对流换热研究的较 多，对于螺旋槽管的研究大多数是在实验基础上进行数据拟合， 从理论上阐述的很少。 本文所研究的内斜齿螺旋槽管也是异型螺旋槽管的一种， 和其它异型螺旋槽管的不同在于管子内外表面的结构不一致。 前面所介绍的异型螺旋槽管是由单一形面的工具在管子外面碾 压而成，管子外表面的凹槽和内表面的凸起是相对应的。内斜 齿螺旋槽管是先在管内加工出螺旋形的斜齿，然后再在管外碾 压出螺纹，它相当于是螺旋内肋管和螺旋槽管的结合，其结构 如图1 4 所示。内斜齿螺旋槽管的加工比一般的异型螺旋槽管复 杂，在个加工厂内，内斜齿螺旋槽管斜齿的高度是固定的， 变化的只是斜齿的节距和管外螺旋槽。本实验所使用的内斜齿 螺旋槽管为3 8 头斜齿，斜齿的高度为o 5 r a m ，管外螺旋槽深 0 3 m m ，节距为8 1 0 m m 。 内斜齿螺旋槽管已经应用在实际生产中，使用内斜齿螺旋 槽管的换热器换热效果较好，但在理论上并没有相关的传热和 阻力公式。内斜齿螺旋槽管管内是多头螺旋斜齿，当管内流体 流速增加时，内斜齿螺旋槽管管内流阻的增加，比光管甚至其 它螺旋槽管流阻增加大。本文就是通过实验研究内斜齿螺旋槽 山东大学硕士学位论文 管的换热和流动规律，得出内斜齿螺旋槽管管内的换热和阻力 准则方程式，对内斜齿螺旋槽管的热力性能进行评价，为内斜 齿螺旋槽管在实际生产中的应用提供理论支持。 图1 4 内斜齿螺旋槽管的结构 1 0 山东大学硕士学位论文 2内斜齿螺旋槽管换热原理及数值模拟 2 1内斜齿螺旋槽管的强化传热机理 由流体流动边界层理论【2 ”可知，当流体流过与之相接触 的壁面时，在与壁面相接触的地方就会形成一个较薄的边界层， 这个边界层又分为三层：层流底层、过渡层和紊流层。在层流 底层中，近壁处流体几乎不动，在壁面处流体流速为零，热量 的传递依靠导热进行，这就使得层流底层中的传热效率就比湍 流核心区的传热效率低的多。因此，强化传热就要破坏或减薄 边界层中的层流底层。内斜齿螺旋槽管就是通过破坏和减薄层 流底层来达到强化传热的目的的。 流体在管内流动时受螺旋槽纹的引导，靠近壁面的部分流 体顺槽旋转；一部分流体顺壁面沿轴向运动时，螺旋形的凸起 也使流体产生周期性的扰动。前一种作用有利于减薄流体边界 层；后一种作用会引起边界层中流体质点的骚动，因而可以加 快由壁面至流体主体的热量传递，提高对流换热系数。 另外，当流体经过扰流凸起时产生流动脱离区，形成强度 不同、大小不等的旋涡。正是这些旋涡改变了流体的流动结构， 增加了近壁区流体的湍流度，提高了流体与壁面间的对流换热 系数。当流体经过突起肋时，在两肋中间产生一个大涡旋和二 个角区小涡旋【22 1 ，如图2 1 所示。大涡旋是不稳定的三元结构， 它周期地抛出流体并从主流中引入补充流体，这样构成了肋间 流体与主流之间的质量和能量交换，并且在旋涡的上边界出现 速度梯度和湍流切应力的最大值。 臣笏荔i ，一、髟乏刁 珍多乡多小，髟：钐多纠 j 孑j ；彭j 五! ：二：j - ：! 彭；多纠 图2 1 涡旋示意图 1 i 山东大学硕士学位论文 研究表明，螺旋槽管对管外凝结也具有强化作用。对螺旋 槽管的强化机理，w i t h e r 和n e w s o n l 2 3 】等均认为，螺旋槽管的凹 凸表面使冷凝液膜产生附加表面张力场，对于水平螺旋槽管来 说，表面张力和重力共同作用使凝液沿沟槽排走，减薄液膜， 提高了换热系数，强化了传热。 由于内斜齿的存在，内斜齿螺旋槽管的传热面积较光管有 较大的增加，这对于传热量的增加和传热面结构、布置的改进 极为有利。 2 2 内斜齿螺旋槽管管内流体流动的数值模拟 本章用大型通用计算机程序p h o e n i c s ( 也称凤凰 程序) 模拟了内斜齿螺旋槽管管内流体流动。内斜齿螺 旋槽管强化换热的原理就是通过螺旋槽对流体流动状 态的改变来强化换热的，所以通过对流体流动的模拟就 可以表现出内斜齿螺旋槽管对换热的强化。 流动和传热传质过程的计算机模拟是世界上近 几十年发展起来的一门应用学科，它以计算机为桥梁， 把基本理论、模拟实验和装置设计三者有机的结合起 来，开辟了用理论直接指导实验和设计的途径，这不仅 有助于对客观规律认识的深化，而且使设计及其最优化 过程更加快捷准确，大大减少了实验工作的盲目性和工 作量，其意义是不言而喻的。流动和传热传质过程的计 算机模拟的范围包括：基本方程( 连续方程、动量方程、 能量方程和组分方程) 、理论模型( 湍流输运和多相问 题等) 、数值方法( 研究体系和控制方程的离散化、求 解方法) 、计算程序及其在科研、设计和教学中的应用。 2 2 1p h o e nic s 介绍 为了对流体流动、传热传质过程进行计算机模 拟，需具备以下条件：基本方程及其离散化型式、理论 山东大学硕士学位论文 模型、有关的介质、体系的几何参数和边界条件、求解 方法、计算程序和计算机。其中体系的几何和边界条件 是给定的，计算机本身的性能提高很快，除计算程序之 外的其它条件也已基本具备并在不断的改进之中，剩下 的计算程序是最困难而又十分重要的一个条件。8 0 年 代中期诞生了大型通用程序p h o e n i c s ( 全称) i 2 4 】， 它是在一系列专用程序和类型程序( 如二维抛物线型程 序、三维椭圆型程序等) 的基础上发展起来的，是著名 的s p a l d i n g 学派近二十年研究成果和经验的集中体现， 它能对一维、二维或三维，定常或非定常，可压或不可 压，理想或粘性，层流或湍流，均相或多相( 主要是两 相) 的流动、传热传质和燃烧过程进行计算机模拟。 p h o e n i c s 是建立在坚实物理学基础原理上的数学推 理，它的结果不但能给设计工程师提供所需要的数据， 而且能够帮助人们对所研究的问题加强理解。 2 2 2 物理模型的建立 根据内斜齿的结构，将将其简化成矩形螺旋肋， 图2 2 显示了单个螺旋肋的形状。 对管内流动做以下假设1 25 】：不可压缩定常流 动；o 受迫流动( 忽略浮升力的影响) ；o 忽略轴向导 热和粘性作用。 图2 2 螺旋模型 山东大学硕士学位论文 2 2 3 数学模型的建立 物理模型的控制方程为质量守恒方程、动量方程和能量守 恒方程2 4 】- 【2 9 】： o ( p u ，) o x ，= 0 ( 2 1 ) a ( “，u ，) o x = o o x 【( + 鸬) o u ，o x ，卜o p o x ， ( 2 2 ) 0 ( p u ，t ) l o x ，= o o x 瓜p r + h p r t ) o t c a x ，】 ( 2 3 ) 式中 为工质的动力粘度：“为紊流动力粘度；p 为压强；t 为工质温度；p r 为工质的p r a n d t l 数：p r t 为紊流的p r a n d t l 数； p 为流体密度；“，和“为速度分量。 紊流动力粘度“定义为h = c 。肚2 e ，可从紊流模型中求 得，本文采用的k s 方程模型如下： 紊流脉动动能( k ) 方程 p u o k o x j = o o x j ( + ，) 0 k 0 x j 】+ ( ，0 u 。0 x j ) ( a “。0 x j ) + ( o u ，0 x 。) 卜p e ( 2 4 ) 耗散率( s ) 方程 p u f o 占l o x = a o x ( + 1 ，盯；) 0 e 0 x ，】+ ( c l e l k ) ( t ，o u j o x m ( 抛。苏) + ( o u o x ，) 卜c 2 伊2 k ( 2 5 ) 其中常数项的取值为 c 。= o 0 9 ；盯t = 1 , 0 ；c l = 1 4 ；c 2 = 1 9 。 2 2 4 内斜齿螺旋槽管管内流场模拟结果 因为内斜齿螺旋槽管是通过内斜齿使流体产生涡旋和旋 转来达到强化传热的目的，所以我们只模拟出流体的速度场。 通过速度场，可以看出内斜齿螺旋槽管传热的强化作用。 我们建立坐标系，取轴向为x 轴，径向为y 轴。如图2 3 所示。 1 4 山东大学硕士学位论文 图2 3坐标示意图 图2 4 、图2 5 展示了模拟速度场的情况。图2 4 中，图( b ) 是将x 轴视图绕指针所在y 轴旋转一角度得到的。 图2 4x 轴视图( a ) 山东大学硕士学位论文 图2 5 y 轴视图 由图2 4 ( a ) 、( b ) 可看出螺旋肋使近壁处的流体发生旋转， 旋转的作用使近壁处的流体速度增加，减薄了层流底层的厚度， 降低了传热热阻；由图2 4 ( a ) 和图2 5 可看出，肋间的流体发生 了涡旋，涡旋的作用一方面与旋转一样减薄了层流底层的厚度， 山东大学硕士学位论文 降低了热阻，另一方面使边界层的流体和主流体发生混合，强 化了传热。从模拟情况来看，流体的涡旋和旋转与肋高、肋间 距有很大的关系，图2 6 显示了肋间距很大的情况，图2 7 显示 的是肋间距很小的情况。 图2 6 肋间距较大时的模拟图 图2 7 肋间距较小时的模拟图 由图2 6 可以看出，当肋间距过大时，在肋后一段距离 1 7 山东大学硕士学位论文 剪切层又重新和壁面结合，这时的热阻增大；由图2 7 可以看出， 当肋间距过小时，肋间不存在涡旋，流体在近壁处几乎不流动， 这只能大大增加热阻。因此，在实际应用中，要选择一个合适 的肋高和肋间距。 山东大学硕士学位论文 3 内斜齿螺旋槽管实验研究方法 3 1 内斜齿螺旋槽管实验研究中特性参数的选取 流体的物性都随流体的温度的变化而变化，因此定性温度 是描述流体换热准则方程的一个重要物理量，另一个描述准则 方程的重要物理量是定型尺寸。 3 1 1 。隔壁温条件下流体定。性温度的确定 在管外为饱和蒸汽的条件下，饱和蒸汽发生相变而凝结， 当蒸汽压力恒定时，相变流体在整个换热面上保持其饱和温度 不变，原则上可以把管壁温度当作恒温处理，这样处理带来的 误差是很小的。图3 1 展示的是恒壁温流体温度变化示意图。 图3 1 恒壁温流体温度变化示意图 t s 一蒸汽饱和温度；t l 、t 2 冷流体进出口温度。 文献【1 7 】给出了蒸汽压力和蒸汽温度随管程的变化曲线， 可以看出蒸汽压力和温度沿管程略有变化，这种变化很小。很 多文献采用流体的算术平均温度作为定性温度，文献【1 8 】通过计 算认为当流体进出口温度变化不大时，可以用流体的算术平均 温度作为定性温度。因此我们亦采用冷却水的进出口温度的平 均温度做定性温度。 3 1 2 定型尺寸的选取 内斜齿螺旋槽管是一种流通截面呈非圆形的强化换热管， 在以往研究文献中，有的以轧制前光管的内径为螺旋槽管的定 型尺寸，有的以内、外径的平均值作为定型尺寸，这些定义比 1 9 山东大学硕士学位论文 较方便简单。s g a r i m e l l a 3 0 1 提出用“体积直径d ，”作为螺旋槽 管的定型尺寸，其定义为d ，：、竺兰，其中踟，是螺旋槽管有效 v 魁 长度的液体充满体积，l 是螺旋槽管的有效长度。但用体积直 径要测液体充满体积，操作中会造成误差。本实验我们采用内 斜齿螺旋槽管加工前光管内径作为内斜齿螺旋槽管的定型尺 寸。 3 2 内斜齿螺旋槽管几何尺寸的计算 由于内斜齿螺旋槽管的内外结构不相对应，因此，管内和 管外几何尺寸的计算要各自进行。 3 2 1 内斜齿螺旋槽管管外几何尺寸的计算 图2 3 展示了内斜齿螺旋槽管管外几何尺寸。 图2 3 内斜齿螺旋槽管管外示意图 假设凹槽的形状为圆弧形，根据三角关系得： r 2 = ( r 一 ) 2 + ( 之 ) 2 由上式解得： r ：兰娑 ( 2 1 ) 8 、。 其中，r 是凹槽弧心到外壁的半径；h 是槽深，是凹槽底 部到外壁的距离；只是凹槽的宽度。 山东大学硕士学位论文 3 2 2 内斜齿螺旋槽管管内几何尺寸的计算 管内碾压引起的内表面积变化较小，因此忽略不计。则简 化的内斜齿螺旋槽管管内尺寸如图2 4 所示 s 图2 4 内斜齿螺旋槽管管内尺寸示意图 其中，p 。为两内螺纹槽之间的距离；p i 为内螺纹槽 宽；s 为内螺纹节距，s = n p ；e 为斜齿高度；b 为螺旋角。 3 2 3 内斜齿螺旋槽管内外表面积的计算 外表面积f 。 r h ：2斌2arccos山讽学tanfo l t a n ：2 死r 卫三。+ 蒯。兰益卢 3 6 0 “ p n 。 ：塑上 丝+耐lpo-ptanflarccos t a n = 一十舾 9 0c o sbr p 、 舭踊 一s 竿+ 蒯o l 孚岫眦8 t + 蒯专产- 锄 ( 2 2 ) 其中，l 为管子有效长度。 内表面积f i 同理，内斜齿螺旋槽管的内表面积为 f 叫工半 ( 2 3 ) 2 1 3 3 实验数据的处理方法 3 3 1 总体传热系数k 由传热学可知，总体传热系数可由下式计算 k = ! ! 一( 2 4 ) f a t 。 式中孬为平均换热量：百= 毕 蒸汽放热量：q ，= - g ，( h 。：一h 。) 冷却水吸热量：q f = g 2 f 。( ，2 2 一，2 1 ) g l 蒸汽凝结水量，k g s g 2 一冷却水质量流量，k g s ； h 1 2 一凝结水的焓，k j k g ； h l l 饱和蒸汽的焓，k j k g ； c 。一一冷却水的定压比热； t 2 l ，t 2 2 - - - 冷却水的进出1 ：1 温度，。 f 。为对数平均温差：血m = 垒：蚕当 f 。，。 其中 ，一一- 蒸汽的饱和温度和冷却水的最大温差，； f 。- 蒸汽的饱和温度和冷却水的最小温差，。c 。 f 为传热砸积，这里取内斜齿螺旋槽管的内表面积，时。 3 3 2 管内对流换热系数a 。 管内对流换热系数a 。可由下面的公式求得： 由对流换热公式蚕= 口，e o 。一i ) 得 口：j 生，( 2 6 ) 。 f ( f 。一f ) 式中卧螺旋槽管的内表面积，m 2 ； f 。，螺旋槽管的内壁温度，： 山东大学硕士学位论文 ；冷却水沿管程的积分平均温度，。 3 3 3 管外凝结换热系数a 。 管外凝结换热系数a o 可由下面的公式【1 】求得： 由k = 1 土一d o 。生d o 。1 d 。d ，ad 。a 。 可得 a o2 r 丁舌1 百( 2 7 ) k 口d i 五d m 管外凝结换热系数也可以由牛顿冷却公式直接求得： n a o2 f 赤石( 2 8 ) 式中f 。螺旋槽管外表面积，r ； t - 一蒸汽的温度，； t 。一螺旋槽管外壁温度，。 由于管内壁与流体的温差要比蒸汽与管外壁的温差大的 多，在本实验范围内，前者在4 0 7 0 c 之间，而后者在5 2 5 之间。如果壁温的测量有l 的误差，那么通过总体传热系数计 算的凝结换热系数a 。只产生1 2 的误差，而用牛顿冷却公式计 算的凝结换热系数a 。将产生5 2 0 的误差，所以我们采用式 ( 2 7 ) 来求凝结换热系数口。 3 3 4 阻力系数厂 阻力系数由下式确定 3 1j ： ：卸粤三 ( 2 9 ) l 小 式中如一实验内斜齿螺旋槽管的有效段的压降，p a ； d | - - 内斜齿螺旋槽管的内径，i b i n ： l 内斜齿螺旋槽管的有效长度，m m ； p 冷却水的平均密度，k g m 3 ； 山东大学硕士学位论文 v 冷却水在体积直径下的流速，m s 。 3 3 5 光管管内传热公式 d i t t u s b o e l t e r 公式是1 9 3 0 年d i t t u s b o e l t e r 2 l 】提出的，是 使用最为广泛、应用方便的经验公式。本文应用该公式作为光 管管内传热的计算公式。 n u = o 0 2 3 r e o 8 p r ” ( 2 1 0 ) 加热流体时n = 0 4 ，冷却流体时n = 0 _ 3 。 3 3 6 光管管内摩擦系数 b l a s i u s l 3 2 】对已有的众多实验结果进行了整理，并按无量纲 形式提