（机械制造及其自动化专业论文）管内纵向涡发生器强化传热数值模拟研究.pdf

摘要 高效节能技术特别是实用的高效强化传热技术广泛应用于石油、化工、能源、 冶金、材料等工程领域以及航空、电子、核能等高科技领域。研究、发展和应用新 型强化传热技术，将带来巨大的经济和社会效益。许多技术被用来提高对流换热， 纵向涡发生器是一种新型的强化传热技术。 本文通过理论分析和数值模拟两种方法对管内空气冲击纵向涡发生器后的流 动及换热特性进行了研究。 在理论分析部分，对存在涡旋的流场的一些基本概念做了解释，阐述了涡旋的 产生、发展，并对其强化传热的机理进行了分析。在二维流动与换热的场协同方程 的基础上，推导出三维湍流换热的一般协同方程。 数值模拟部分，采用c f d 软件f l u e n t 来进行。在p r o e 中建立了相应的三 维物理模型，在g a m b i t 中划分了细密的3 d 网格。利用有限容积法( f v m ) 对控 制方程进行了离散化处理，先用了s i m p l e c 算法对温度一速度耦合方程进行求解， 从而求得了速度场和温度场的数值解，并对流场和温度场进行了可视化显示。由计 算结果可以看出：三角形翼和矩形翼涡发生器在纵向的强化作用明显，产生的涡旋 可以向下游传播很远。雷诺数、翼片倾角和翼片结构都是强化效果的重要影响因素。 为了合理评价所研究管道的强化效果，采用相同泵功的评价方法对结果进行了讨 论。 理论分析和数值模拟的结果均表明：三角翼涡发生器的对管内的换热强化效果 好于矩形翼涡发生器：攻角为4 5 。的三角翼涡发生器强化换热效果好于攻角为3 0 。和6 0 。的三角翼涡发生器；攻角为4 5 。的矩形翼涡发生器强化换热效果好于攻 角为4 5 。的三角翼涡发生器；攻角为4 5 。的矩形翼涡发生器导致流动阻力增加， 而攻角为4 5 。的三角翼涡发生器则可使阻力有所减小；攻角为4 5 。的三角翼涡发 生器比攻角为4 5 。的矩形翼涡发生器在消耗相同泵功的条件下带来的综合强化换 热效果更大。 关键词：涡发生器强化换热场协同理论f l u e n t a bs tra c t t h e h i 曲一e f f i c i e n c ye n e r g y c o n s e r v a t i o n t e c h n i q u e s ，e s p e c i a l l y , t h ep r a c t i c a l h i g h - e f f i c i e n c yh 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 e s ，h a v eab r i g h ta p p l i c a t i o ni nm a n y e n g i n e e r i n gf i e l d s ，s u c ha sp e t r o l e u m ，p e t r o c h e m i s t r y , e n e r g y , m e t a l l u r g y , d e v e l o p m e n t a n da p p l i c a t i o no fh 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 e sw i l lc r e a t ei m m e n s ee c o n o m i c a n ds o c i a lb e n e f i t s m a n yt e c h n i q u e sh a v eb e e nd e v e l o p e dt oe n h a n c ec o n v e c t i v eh e a t t r a n s f e r t h el o n g i t u d i n a lv o r t e xg e n e r a t o ri san e w t e c h n i q u eh e a tt r a n s f e r i nt h i sp a p e r , t h e o r e t i c a la n a l y s i s ，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 sh a v eb e e n p e r f o r m e dt oi n v e s t i g a t et h eh e a tt r a n s f e re f f e c t sa n df l o wc h a r a c t e r i s t i c so fl o n g i t u d i n a l v o r t i c e si nt h et u b ef l o w i nt h ep a r to ft h e o r e t i c a la n a l y s i s ，s o m ec o n c e p t i o n sa b o u tv o r t e xi nt h ef l o w i n gf i e l d a n dh o wt h ev o r t e xg e n e r a t e da n dd e v e l o p e dh a v eb e e ni n t e r p r e t e d ，a n dt h ei t sh e a t t r a n s f e re n h a n c e m e n tm e c h a n i s mc a l lb ee x p l a i n e d w h a t sm o r ei m p o r t a n ti st h a ta t h r e e - d i m e n s i o n a lf i e l dc o o r d i n a t i o n ( s y n e r g y ) e q u a t i o ni sd e d u c e do nt h eb a s i so f t w o d i m e n s i o nf i e l dc o o r d i n a t i o ne q u a t i o nb e t w e e nv e l o c i t ya n dt e m p e r a t u r ef i e l df o rt h e e n t i r ef l o wa n dh e a tt r a n s f e rd o m a i n i nt h ep a r to fc o m p u t e rc a l c u l a t i o n ，i ti sc a r r i e do u tb yv i r t u eo fc o m p u t a t i o n a lf l u i d d y n a m i c s ( c f d ) s o f t w a r ew h i c hi sc a l l e df l u e n t f i r s t l y , at h r e e d i m e n s i o nm o d e l w a sb u i l db yu s i n gp r o e ，a n dm e s h e di n t ot i n yg r i d sb yu s i n gg a m b i t t h e n ，f i n i t e v o l u m em e t h o d ( f v m ) w a su s e dt od i f f e r e n tt h ec o n t r o le q u m i o n s a f t e rt h a t , t h e s i m p l e ca l g o r i t h mw a sc h o s e nt os o l v et h et e m p e r a t u r e v e l o c i t yc o r r e l a t i o ne q u a t i o n l a s t l yc o m p u t e rc a l c u l a t i o nr e s u l t so fv e l o c i t yp r o f i l e ，t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na n ds o m e v i s u a lp i c t u r e sa r eg a i n e d t h er e s u l t ss h o wt h a td w v ga n dr w v gc a ng e n e r a t ev o r t e x w h i c hc a l ls p r e a dal o n gd i s t a n c et o w a r d sd o w n s t r e a m a n dh a v ea no b v i o u se f f e c to n h e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t t h er e y n o l d sn u m b e r , t h ef mi n c l i n e da n g l e ，a n dt h es k e t c h 2 o fl v ga l li n f l u e n c et h ee n h a n c e m e n te f f e c td r a s t i c a l l y t oe v a l u a t et h ee n h a n c e m e n t e f f e c to ft h es t u d i e dt u b er e a s o n a b l y , t h ea s s e s s i n gm e t h o do ft h es a n l ep u m pp o w e r c o n s t r a i n ti sa d o p t e d i tc a nb ec o n c l u d e df r o ma l lt h er e s u l t so ft h e o r e t i c a la n a l y s i s ，n u m e r i c a lc a l c u l a t i o n t h a tt h eh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n to fd w v gi sm o r es i g n i f i c a n tt h a nt h a to fr w v g ；t h e h e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n to fd w v gw i t ht h ea t t a c ka n g l eo f4 5 。i sm o r eo b v i o u st h a n m a to f3 0 0 a n d6 0 0 ；t h eh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n to fr w v gw i t ht h ea t t a c ka n g l eo f 4 5o i s m o r eo b v i o u st h a no fd w v gw i t ht h ea t t a c ka n g l eo f4 5 。；t h er w v gw i t ht h ea t t a c k a n g l eo f4 5 。l e a d st oa l li n c r e a s ei nf r i c t i o nf a c t o r s ，w h i l et h ed w v g w i t ht h ea t t a c k a n g l eo f4 5 。r e s u l t si nas l i g h td e c r e a s e 1 1 1 eh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n tt h es a m ep u m p i n g p o w e ro fd w v g w i t ht h ea t t a c ka n g l eo f4 5 。i sl a r g e rt h a nt h a to fr w v gw i t ht h ea t t a c k a n g l eo f 4 5 0 l i uy i nh o n gf m a c h i n ep r o d u c ea n da u t o m a t i z a t i o n ) d i r e c t e db yq i n gd ef a n k e yw o r d s ：v o r t e xg e n e r a t o r , h e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t , f i e l dc o o r d i n a t i o np r i n c i p l e ， f i j7 e n t 3 1 1 概述 第一章绪论弟一早珀v 匕 近几十年来，各种工业飞速发展。工质的流动和传热是动力、核能、制冷、化 工、石油、航空、火箭与航天等工业中的常见过程。在这些工业的换热设备中广泛 存在着各种传热问题。换热器在上述各行业中，不仅是保证工程设备正常运转的不 可缺少的部件，而且在金属消耗、动力消耗和投资方面，在整个工程中占有重要份 额。传热强化技术，由于其能使各种换热设备的效率提高、重量和体积减少，一直 受到科技界和工业界的重视。2 0 世纪7 0 年代初出现的世界性能源危机，使传热强 化技术得到了快速发展【l 】。 此外，由于世界上煤、石油、天然气等化石燃料资源储量有限，能源短缺，各 国都在积极进行新能源的开发和化石燃料的高效洁净利用工作，与此同时，还积极 开展余热回收及节能工作，以解决能源紧张局面。当前中国在能源利用效率、能耗 等方面，与世界先进国家相比，还存在较大差距，能源节约还有很大的潜力。我国 工业部门的节能潜力见表1 1 。 表1 1 我国工业部门的节能潜力2 】 设备生产能源消耗比例占煤中国平均效率o e c d 国家的 过程 炭消耗量的水平高效率 工业锅炉 3 0 6 5 8 0 燃煤电厂 3 0 4 1 4 9 c e k w h 1 0 0 0 时，随着涡发生器 厚度和旋转角度的增加，产生的漩涡强度增大，强化换热效果明显。粟艳，杨泽亮 等2 2 2 3 1 在常壁温条件下进行加热空气在管内流动的冷却实验，研究强化传热管的传 热和阻力特性，结果表明，在过渡流区管内置纵向涡发生器的强化传热大大增强， 在肋数大增的同时，阻力损失也相应有所增加，提出了一种比较优化的发生器形 状设计，探讨了传热和阻力随设置间距变化的规律。f e i b i g 等2 4 2 5 1 采用了一种液晶 热录像仪( 1 i q u i dc r y s t a lt h e r m o g r a p h ) ，对这四种涡发生器进行了局部换热系数的测 量。结果显示，局部和平均换热提高幅度可达5 0 以上。c n l i n 等【2 6 1 对采用波纹 型管( w a v e t y p e ) 涡发生器结构的钉头管板式换热器进行了实验和数值模拟，可以 得到这样一个结论：局部换热系数可提高1 2 0 ，平均换热系数可提高1 8 5 。 r i e m a n n f 2 7 1 对平行板间通道流中纵向涡流发生器的换热阻力特性进行了实验研 究，实验范围为r e = 1 0 3 , - - - 4 x 1 0 4 。图1 - 4 为两组典型实验结果。从图中可以看出， 当r e = 4 x 1 0 4 及a = 4 5 0 时换热强化比n u n u d 2 1 ，阻力增加比f f o 2 0 ，即阻力增加 更明显，但横板( 御o 。) 的阻力增加更大( n u n u o = 1 9 5 , f f o , 4 0 ) 。z h u 等2 8 心9 1 对平 板间纵向涡流发生器的换热和阻力特性进行了数值研究( 见图1 - 5 ) ，其结论与 r i e m a n n 的研究相似。 图1 - 4 平板间纵向涡流发生器的换热和阻力特实验 图1 5 平板间纵向涡流发生器的换热和阻力特性数值结果 t u r k 与j u n k h a n 3 0 1 采用不高度和冲击角度的矩形翼涡流发生器进行了实验研 究。结果表明，在某些情况下，局部展向平均换热强化了2 0 0 。m a n o h a rs s o h a l 等【3 l 】对纵向涡发生器对翅片管的强化换热特性进行了实验和数值研究。实验结果显 示出，换热增强2 0 3 0 。阻力增加1 0 - - - 1 5 ，我国华中理工大学和重庆大学等地 的学者研究的穿翅片管与此相类似3 2 矧。 综上所述，利用纵向涡发生器能较显著地提高强化传热效果。但目前大部分关 于涡发生器的研究主要集中于矩形平直通道，而对于在工程领域应用最为普遍的管 壳式换热器中则研究较少。因此，研究管内实现多纵向涡技术对提高我国工业生产 的能量利用率，促进节能、减排具有重要的经济社会价值和广泛的应用前景。 1 4 对流强化换热的发展前景及存在的不足 近二十年来各种强化换热技术得到了快速的发展和广泛的应用，但是在研究中 仍然存在一些严重不足，主要包括以下几点【8 j ： 实验研究和数值模拟相对较多，最终将结果归纳总结成经验关联式的形式， 用于工程实际应用。但是对涡流强化换热机理的理论研究相对较少，大都是经验分 析推测，真正的指导性理论研究甚少。 实验方法和技术有待改进。在以往的实验研究中，大部分是以牛顿冷却公 式为理论依据，模拟恒热流或等温边界条件，以此设计实验装置和测量系统，这种 方法对实验装置的精度要求很高，实验数据的可靠性有待提高。 9 实验需要向高雷诺数范围拓展，探究湍流时的流动与换热特性。 随着计算机技术的发展，数值模拟逐渐发挥出其特长，但建多以二维模型 为主，三维模型的研究相对较少，且自编程序难以准确求解实际情况。 对流换热过程的整体性能主要取决于速度场的特性，因此改变速度场是强化对 流换热的一个最直接的途径。尽管工程实际提出了适合于不同场合的各种具体强化 对流换热技术和手段，但改变速度场是它们表现出来的共同特征之一。 1 5 本论文的主要研究内容 到目前为止，大部分学者都针对是矩形通道内或是水平通道内的安放涡发生器 进行对流传热强化的研究，极少有针对管内涡发器的对流传热的强化研究。 论文在纵向涡强化传热的理论分析的前题下，利用商业c f d 流体软件对管内 涡流强化换热进行模拟，比较矩形小翼和三角小翼这两种涡发生器在强化传热的效 果差异并与传统换热元件环形肋片的强化换热效果进行对比，从中选取一种强化传 热效果比较优越的涡发生器，用于规模工业产生的新型强化换热管的制造工艺和设 备，设计和研制出新型换热器，将其应用于工业领域。 、 总结全文，可将内容概括地描述为： 图1 7 全文内容概述 1 0 第二章涡流强化换热的理论分析 换热强化技术的应用，要综合考虑许多因素，通常流体的流态即层流或湍流， 对于选择换热强化的方法占有举足轻重的地位。在层流对流换热情况下，流体的速 度分布和温度分布不像湍流那样平坦，流体与壁面间的温度降产生在整个流动截面 上，因此对层流换热所采取的强化措施传统上是使流体发生强烈的径向混合，使核 心区流体的速度场、温度场趋于均匀，壁面及壁面附近区域的温度梯度增大，进而 强化层流换热。但对于湍流，由于流体核心的速度场和温度场都已经比较均匀对流， 换热热阻主要存在于贴壁的流体粘性底层中，因此，对湍流换热所采取的主要强化 措施是，破坏边界层即增加对边界层的扰动以减薄层流底层的厚度，使传热温差发 生在更加贴近壁面的流体层中，增强换热能力。许多学者通过大量的研究，均证实： 流体绕流涡发生器后有纵向涡旋( 端部涡旋或者马蹄涡系) 产生，对于纵向涡而言， 一般认为其强化换热的机理是当流体经流纵向涡发生器时，产生纵向涡，纵向涡能 改变流体热边界的发展，从而达到强化传热的目的【丌。1 9 9 8 年，清华大学院士过增 元教授及其合作者根据边界层的流动进了能量方程的分析瞰l ，重新审视了对流换热 的物理机制，他把对流换热比拟为有内热源的导热，热源强度不仅取决于流体的速 度和流体的特征，而且取决于流速与热流矢量的协同。提出了著名的场协同理论。 2 1 对流换热的基本理论 2 1 1 对流换热简介 在流体有温差的条件下，由于流体各部分之间发生宏观相对运动，流体将热从 一处带到另一处的现象，称为热对流。在流体中流体质点间能够产生相对运动的原 因有两个：因流体各部分的温度不同而引起密度的差异，使得流体质点产生相对 位移，这种对流称为自然对流；由于外力的作用使得流体质点运动，这种对流称 为强制对流。流动的原因不同，对流传热的规律也不同，对流传热量也有很大的差 异。在工程传热过程中，重点研究的是流体流过固体表面时发生的热对流和热传导 联合作用的传热过程，即热量由流体传到固体壁面或由固体壁面传到流体的过程， 通常称它为对流传热。对流传热研究的主要目的就是找出影响对流传热系数的主要 因素，以及对流传热系数和这些因素的具体函数关系，进而通过一些可测量参数， 如温度、表面尺寸、流体流速，推算出对流传热系数。 2 2 纵向涡的发生机理 为简单起见，这里以竖立在壁面上的斜置矩形翼片为例，当流体流经翼片的滞 止边界时，它的流速降低，压力升高，由于斜边的后缘为棱角，锐边的存在使顶部 和侧壁处复杂的边界层分离和再附着，并在翼前后方的压差作用下，气流从压强高 处绕流过翼片流向低处，在此具有斜边的翼的后方出现旋涡；又由于翼片与来流成 一定的角度a ( a _ 0 9 0 。) ，旋涡的运动受到主流的制约并随主流向前运动，从而形 成螺旋形的旋涡运动。 在涡旋的诱发作用下，外流场中沿向具有较高动能的流体质点旋入边界层中， 与表面上动量较低的流体混和后作螺旋运动而离开壁面。于是边界层中流体质点所 具有的平均流向动量增加了。这个过程连续不断地进行，使得边界层获得连续能量 的供给，有能力来抵御表面磨擦和逆压梯度。可见，维持涡旋不断产生所需的能量 来自主流区。 用矢量分析法分析安装有矩形翼涡流发生器的流动情况3 8 1 。如图2 5 所示， 图2 5 矩形通道内的矩形翼 流体沿箭头所指方向( 即x 轴正方向) 流经装有矩形翼的矩形通道，由于其主 1 2 流速度元大于其它的分速度( 如横向扰动速度和壁面法向速度) ，所以只考虑主流 方向速度历。为了便于分析，把主流速度分解为两个速度：一个平行于矩形翼片的 速度破，一个垂直于矩形翼片的速度玩。因兄对流向涡旋产生的作用不大，可暂不 考虑。那么流体就以速度瓦垂直流过矩形翼片，其流动类似于后台阶流的脱体流动， 在矩形翼后，产生一个回流区。此回流区对应于一个旋度矢量访，根据右手螺旋法 则可判断其方向。此旋度矢量访又可在x 和y 方向上分解为两个分量吃和或。吃所 代表的旋转即为主流截面上的旋转。由于矩形翼在y 方向的两侧流动并未受到障碍， 所产生的涡旋在两侧流体的携带作用下向下游传播发展。因此，由主流运动和见代 表的旋转运动所合成的运动就是所谓的端部流向涡旋流动。而见代表的旋转运动是 不同x 方向及z 方向的速度合成。流向涡实质上是一种二次流现象。 2 3 强化传热的场协同理论 我们常见的强化单相对流换热的机理有3 种，即：减薄热边界层；增加流 体中的振动；减薄速度边界层( 或增加壁面附近的速度梯度) 。但是强化传热的 实质一直没有得到广泛的意见。即使对于最简单的单相强制对流换热，上述说法虽 然可以解释一种强换热的机理，但不是能解释另一种机理。 2 3 1 场协同理论 1 9 9 8 年，我国过增元教授及其合作者根据对边界层型的流动进行的能量方程的 分析3 4 1 ，得到方程( 2 2 a ) ，把方程中等式左边的对流项改写成矢量的形式，即 一心v 珊一号地( x ) ( 2 - 3 ) 其中痧是流体的速度矢量。再引入无因次变量 孑= 篑耵= 杀弘弘 乙 协4 ) 虬7 ( 瓦一瓦) 4 “谚。 ” 1 3 把式( 2 叫) 代入( 2 3 ) ，进行整理后可得无因次关系式 t , 1 = 一 r e ，所【( u v r ) d y = n u ， ( 2 - 5 ) 其中r e ，、n u ：的定义与通常边界层流动分析中相同。被积因子可写成 u v 丁_ lul | v 丁ic o s f l ( 2 - 6 ) 其中口是速度矢量和温度梯度矢量( 热流矢量) 的夹角。从式( 2 5 ) 、式( 2 ) 可以看到，要使换热强化有三方面途径：提高船数，例如增加流速、缩小 通道直径等，就能使换热增强；提高p r 数，改变流动介质的物理性质，例如增 加流体的比热容或粘性，将导致n u 数增大：增加无因次积分值c ( 疗v 于) 痧。这 个无因次积分的物理意义就是在石处热边界层厚度截面内的无因次热源强度的总 和。可以想象，热源强度越大，换热强度就越高。这个积分的数值一般与流动、物 性因素等有关，也就是说，它是尺p 、p r 的函数 一= i = 【( u v 丁) 方= f ( r e ，p r ) ( 2 7 ) 一般来说，由于它的复杂性，很难写出积分，的分析表达式。但是有一点明显的， 提高被积函数( 衫v t ) 的数值，就能增加，值，从而强化传热，而被积函数是两 个矢量的点积，如方程( 2 ) 所示，它不仅与速度、热流的绝对值有关，还取决 于它们夹角的大小。也就是说，在速度、温度梯度一定( 或如、n 不变) 的条件 下，减小它们之间的夹角( f l 9 0 。时) ，就能提高积分，的数值，从而使n u 数增 大，即换热强化。从上述定性分析中可以看到，当f l 9 0 。时通过减小速度矢量与 热流矢量的夹角来强化换热是一种新的途径3 吼4 0 l 。 从方程( 2 - 3 ) ( 2 - 5 ) 中可以看到，流动当量热源，不仅取决于速度场和热流 场本身，而且还取决于它们之间的夹角，即不仅取决于速度场，热流场、夹角场的 绝对值，还取决于这三个标量值的相互搭配。对流换热中速度场的配合能使无因次 流动当量热源强度提高，从而强化换热，此时称之为速度场与热流场协同较好。速 度场与温度梯度场的协同体现在三个方面： 速度矢量与温度矢量的夹角余弦值尽可能大，即两矢量的夹角夕尽可能小 ( 夕 9 0 。) ； 1 4 流体速度剖面和温度剖面尽可能均匀( 在最大流速和温差一定的条件下) ； 尽可能使三个标量场中的大值与大值搭配，也就是说要使三个标量场的大 值尽可能同时出现在整个场中某些域上h 。 ： 嚣 _ _ _ - - _ o ，一 图2 - 6 速度矢量与温度梯度的夹角示意图( 上：等热流边界；下：等壁温边界) ) 2 3 2 场协同数与场协同原理的表达及纵向涡发生器的强化传热机理 对流换热的场协同数，代表了流场与热流场的协同程度，它的表达式为 f c ：阿v r a y ：旦 ( 2 8 ) o r e p r 其物理意义为：场协同数乃的值代表着对流引起的热源强度在全场的总和， 而且它反映了对流换热问题中速度场和热流场的协同程度，即在相同的速度和温度 边界条件下，如果场的协同程度愈好，则场协同数的数值就愈大，当速度场与热流 场完全协同时，场协同数等于l ，达到其最大值。 根据过增元教授【l 】的分析，速度场与热流场协同的改善能够使传热强化，称之 为传热强化的场协同原理，其表述为：“对流换热的性能不仅取决于流体的速度和 物性以及流体与固壁的温差，而且还取决于流体速度场与流体热流场间协同的程 度。在相同的速度和温度边界条件下，它们的协同程度愈好，则换热强度就愈高。” 但是鉴于对流换热中流场与温度场( 热流场) 是耦合的，所以要改善场的协同 以强传热并不是一件容易的事，但又是可能的，它可以从三个方面来进行。 1 5 零。 一 二 改变热边界条件。当流体的物性随温度变化很小时，热边界条件的改变不会 影响原来的流场。等壁温与等热流的充分发展管流的努谢尔数的差别就是因为它们 的热边界条件不同。对于边界热流一定时，使边界热流沿流向增加的分布就能强化 换热。在温度边界条件的情况下，平均温度相同时( 流体被加热时) ，如能布置壁 温沿流向升高时，传热就能强化。 改变速度分布。速度的改变必然导致温度场( 热流场) 的改变，但是可以有 意识地通过速度边界条件的改变使速度和热流矢量的夹角减小或者使三个标量场 的配合更好，从而强化传热。文献 4 2 】中，通过使流体的流动垂直于等温线，使大 部分地区= o ，c o s 夕= 1 。从而使换热得到了很大程度的强化。 特殊的肋或插入物。按照场协同原理设计的肋和插入物与常规情况不同，它 不是为增加传热面积，也不是为了增加湍流强度。它是为了提高矢量场的协同度。 根据文献 4 3 开发的纤毛肋强化换热管，可知，高导热纤毛丝的作用主要是使流体 的径向温度均匀化，改善速度场和热流场的协同，从而使传热得到强化。它是由高 导热材料所组成，由于金属丝与管径相比很细，所以称为纤毛状。如果金属丝与管 壁接触好，则称为纤毛肋，如果不完全接触则称为纤毛状插入物。纤毛丝很稀疏地 布置在管内，填充仅为0 5 一1 o 。纤毛肋的换热性能与无纤毛肋管流相比，在同 功耗条件下换热强化可达到2 0 0 以上( r e 2 0 0 0 ) 。 按照场协同原理，纵向涡传热强化的机理可以进一步解释为：在没有加纵向涡 发生器时，竖直放置的发热平板附近液体的强制对流速度方向为垂直方向，而温度 梯度接近垂直于平板方向即水平方向，速度与温度梯度的夹角接近9 0 。，换热效果 较差，加了纵向涡发生器以后纵向涡使流体有垂直于平板的速度分量，从而改变了 速度的方向，使得速度矢量与热流矢量的夹角变小，从而增大了对流换热系数，使 换热增强。 根据粗糙元几何形状及安装角度的不同，流体流过它产生的漩涡可能是横向也 可能是纵向的。横向涡主轴方向与流向垂直，其流动主要是二维的；而纵向涡绕着 与流向平行的轴进行盘旋，其流动总是三维的，这样纵向涡不仅能够使局部换热增 强，同时也能够全面提高肋数，而横向涡对整个区域换热的增强作用却很小。 在换热表面安装纵向涡发生器后，由于产生了漩涡，它的换热性能和阻力特性 1 6 都将发生相应的变化。纵向涡发生器的形状、几何参数和安装位置都将影响纵向涡 的形成、形状及强度。 2 4 本章小结 本部分介绍了涡流强化传热的原理，说明了对流换热有内热源的导热问题的关 系，并由此引出对场协同理论的详细介绍，包括这一理论的提出、原理及与现有的 强化传热理论的区别：对场协同理论发展现状做了介绍，说明这一理论自提以来有 了很大的发展；说明了此理论的研究意义 1 7 第三章纵向涡强化传热的数值模拟分析 随着计算机技术和计算流体力学的( 简称c f d ) 的发展，数值模拟方法成了 研究流体流动和传热的重要手段。采用数值模拟方法对换热管内流场和温度场等进 行研究，可以方便地得到管内流速度分布及温度分布，易于分析各种结构对传热过 程的影响e 因此，数值模拟方法得到愈来愈广泛的应用1 4 5 ，4 6 ，4 7 1 。 3 1 计算流体动力学概述 流体流动现象大量存在于自然界及多种工程领域中，所有这些过程都受质量守 恒、动量守恒和能量守恒等基本物理定律的支配【4 8 1 。 任何流动问题都必须满足质量守恒定律。该定律可表述为：单位时间内流体微 元体中质量的增加，等于同一时间间隔内流入该微元体的净质量。按照这一定律可 以得出质量守恒方程( m a s sc o n s e r v a t i o ne q u a t i o n ) ： 望+ 旦堕+ 皇盟+ 亟型：o( 3 1 ) 研苏 方 比 式中，p 是密度，f 是时间，u 是速度矢量，u 、1 ，和w 是速度矢量u 在x 、y 和z 方 向的矢量。 动量守恒定律也是任何流动系统都必须满足的基本的定律。该定律可表述为： 微元体中流体的动量对时间的变化率等于外界作用在该微元体上的各种力之和。该 定律实际上是牛顿第二定律，按照这一定律可导出x 、y 和z 三个方向的动量守恒方 程( m o m e n t u mc o n s e r v a t i o ne q u a t i o n ) 一a o u ) + d v ( f ) u d ) - - 望+ 坠+ 盟+ 堡+ e ( 3 2 a ) a t 、 瓠瓠巩a z 1 型a t 砌( 删) = - 等+ 笠g x + 笠a y + 益a z + c ( 3 _ 2 b ) ” 加 7 _ a ( p w ) + d v ( m ) ：一警+ 冬+ 孥+ 莘+ f ：( 3 - 2 c ) o t睨 o x a vu z 式中，k 、和k 等是因分子粘性作用而产生的作用在微元体表面上的粘性 应力t 的分量；e 、b 和疋是微元体上的体力，若体力只有重力，且z 轴竖直向上， 则r = 0 ，毋= 0 ，疋= 昭。 能量守恒定律是包含有热交换的流动系统必须满足的基本的定律。该定律可表 述为：微元体中能量的增加率等于进入微元体净热流量加上体力与面力对微元体所 做的功。该定律实际上热力学第一定律。以温度丁为变量的能量守恒方程( e n e r g y c o n s e r v a t i o ne q u a t i o n ) 为： 塑+螋+塑粤i塑笔旦：昙(土望)一旦(生望)+sr(3-3)i- 一+ 一叶- = 一一一一一i 一一- 叶一 a tg x a y a z 8 z 、c p g x a y 、c pa z l 式中，g 是比热容，丁是温度，k 为流体的传热系数，曲流体的内热源及由于 粘性作用流体机械能转换为热能的部分。 3 1 1 计算流体动力学的概念 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 ，即c f d ) 是通过计算机数值计 算和图像显示，对包含在流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。其 基本思想为：把原来在时间域及空间域上连续的物理量场，用一系列有限个离散点 上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上变量之 间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值。 c f d 可以看成是在流动基本方程( 质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒 方程) 控制下对流动的数值模拟。通过这种模拟，我们可以得到极其复杂问题的流 场内各个位置上的基本物理量( 如速度、压力、温度、浓度等) 的分布，以及这些 物理量随时间的变化情况，确定漩涡分布特性、空化特性及脱流区等。 c f d 方法与传统的理论分析方法、实验测量方法组成了研究流体流动问题的 完整体系，图3 1 给出了表征三者之间关系的“三维”流体力学示意图。 1 9 图3 一l “三维”流体力学示意图 3 2c f d 计算方法简介 3 2 1 总体计算流程 流动传热问题的数值计算步骤一般如下所示： ( 1 ) 建立控制方程； ( 2 ) 确定边界条件与初始条件； ( 3 ) 划分网格； ( 4 ) 建立离散方程；) ( 5 ) 确定离散初始条件和边界条件； ( 6 ) 给定求解控制参数； ( 7 ) 求解离散方程； ( 8 ) 判断解的收敛性； ( 9 ) 显示和输出结果。 本文将利用商业软件f l u e n t 6 1 进行数值模拟。f l u e n t 是用于计算流体流 动和传热热问题的程序【4 9 1 。它是由美国f l u e n t 公司于1 9 8 3 年推出的基于有限容 积法的c f d 软件。它是目前功能最全面、适用性最广、国内使用最广泛的c f d 软 件之一。 利用f l u e n t 软件进行流体流动与传热的模拟计算流程如图3 - 2 所示。首先 g a m b i t 进行流动区域几何形状的构建、边界类型以及网格的生成，并输出用于 f l u e n t 求解器计算的格式；然后利用f l u e n t 求解器对流动区域进行求解计算， 并进行计算结果的后处理。 图3 - 2 数值计算的基本程序 3 2 2f l u e n t 程序可以求解的问题 f l u e n t 软件的应用范围非常广泛，主要范围如下： ( 1 ) 可压缩与不可压缩流动问题。 ( 2 ) 稳态和瞬态流动问题。 ( 3 ) 无黏流，层流及湍流问题。 ( 4 ) 牛顿流体及牛顿流体。 ( 5 ) 对流换热问题( 包括自然对流和混合对流) 。 ( 6 ) 导热与对流换热耦合问题。 ( 7 ) 辐射换热。 ( 8 ) 惯性坐标系和非惯性坐标系下的流动问题模拟。 2 l ( 9 ) 用l a g r a n g i a n 轨道模型模拟稀疏相( 颗粒、水滴、汽泡等。) ( 1 0 ) 一维风扇、热交换性能计算。 ( 1 1 ) 两相流问题。 ( 1 2 ) 复杂表面开头下的自由面流动问题。 3 2 3f l u e n t 程序求解问题的步骤 利用f l u e n t 软件进行求解的步骤如： ( 1 ) 确定几何形状，生成计算网格( 用g a m b i t ，也可以读入其他指定程序生成 的网格) 。 ( 2 ) 输入并检查网格。 ( 3 ) 选择求解器( 2 d 或3 d 等) 。 ( 4 ) 选择求解的方程：层流或湍流( 或无粘流) ，化学组分或化学反应，传热模型 等。确定其他需要的模型，如风扇、热交换器、多孔介质等模型。 ( 5 ) 确定流体的材料物性。 ( 6 ) 确定边界类型及其边界条件。 ( 7 ) 条件计算控制参数。 ( 8 ) 流场初始化。 ( 9 ) 求解计算。 ( 1 0 ) 保存结果，进行后处理等。 3 3 通道结构及物理模型 本文以空气为介质，采用数值模拟方法研究了在不同胎数下，管内设置不同 结构涡发生器时换热管的传热及流动阻力性能，并比较了矩形翼和三角翼在圆管内 强化换热效果的不同。通道取妒4 5x 2 5 的换热管，在以直角三角形翼和矩形翼涡 发生器为研究对象时，主要设计的参数有攻角夕，翼宽，和翼高崩等，如图3 3 所示。 图3 - 3 直角三角翼和矩形翼涡发生器 为了便于涡发生器在换热管内装配，我们采用如图3 4 所示的涡发生器结构。 设计形状准则均为涡发生器的翼高的延长线通过内管中心，其高度边和管内壁切 线垂直【2 2 1 ，如图3 5 所示。 图3 - 4 涡发生器结构示意图 图3 5 涡发生器布置形式 在计算中，其二维数学模型如图3 - 6 所示。壁温研保持不变，翅片材料为与圆 管同样型号的钢。 图3 - 62 d 通道形状 2 4 图3 - 73 - d 通道形状 3 4 计算相关的迭代格式及控制方程 3 4 1 迭代格式 三维湍流迭代格式：采用r n g 弘f 模型，控制方程采用控制容积积分法，并用 s i m p l e c 算法处理压力与速度耦合问题，动量方程和能量方程选用s e c o n do r d e r u p w i n d 格式。收敛判据采用迭代过程中单元不平衡质量余量的绝对值之和与迭代之 初前5 次的最大余最的绝对值之l k , j , 于1 0 。满足这一条件后，动量方程、能量方 程的相对余最都已小于1 0 一，且温度场不再发生变化。所计算介质为空气。所用方 程包括三维、稳态、常物性的连续方程、动量方程、能量方程( 无内热源) 1 5 0 1 ，其 余计算条件如表4 - 2 所示( 三角形翼和矩形翼计算条件相同) 。 表3 - 1 计算条件及参数 3 4 2 控制方程 对于三维层流流动与换热的数值计算，控制方程如下： 丝+ 堡+ 坐：o( 3 4 ) + + 一= u l j 4 j 缸匆 瑟 甜呈+ v 考+ w 警= 一土罢t - v c 粤+ 雾+ 窘，c350 xp o x ， 甜_ + v _ +_ = 一一。v ( 可+ 可+ 可) ( 3 。) o zo x 。 咖 o z u 宴+ v 考+ w 老一吉考t - y c 粤+ 导+ 窘，c3-60 x o x ， _ + v _ + _ 2 一一y ( 百+ 百+ 石j 【3 鳓 o zp 铆 铆 o z u掣+v詈+w娑=一三老+yc窘+窑+(3-70xo z p o y ， _ + v _ + w _ = 一一+ 1 ，【百+ 百+ 刊 o vd z呶 o z 。 甜罢+ v 斋+ w 警= 订c 窘+ 窘+ 争 c 3 剐 甜+ 1 ，+ = 订卜7 + + _ j l j 一6 j 瓠a va z、a x l 卸1 8 z 。 3 5 边界条件设置 无论是针对通道内安装三角翼还是矩形翼的模型，其边界条件的设置都是相同 的：进出口的流动均充分发展，入口条件设置速度进口，出口条件为自由出( o u t f l o w ) ， 底部设为等壁温边界( w a l l ) , r e 数分别为r e = 5 x 1 0 3 次乒8 x 1 0 3 ，r e = l l x l 0 3 , r e = 1 4 x 1 0 3 。 3 6 网格划分 为保证计算结果的准确性，采用了较多的网格，处理过程中采用了分块网格技 术基本保证了流体流动方向与网格边界相垂直。并且生成的网格都是四面体网格， 从而提高了计算的速度和准确性。图3 7 显示了三维通道网格划分。 图3 8 三维通道网格划分 3 7 数据整理 计算过程及数据整理中所用到的公式( 均为三维湍流) ： 当量直径 见：鲜：4 日 ( 3 9 ) p 雷诺数 r e = ：里生 v ( 3 - 1 0 ) 进出口流量为 m 坍加詈堪等詈丢娜专 m 数 ：堕( 3 一1 2 ) 兄 其中a 为单位面积上的平均换热系数，为管道的当量直径，五为流体的导热率； a = q a t q 为热通量 肌嚣 m 藏 瓦为流体进口的平均温度，乙，为流体出口的平均温度，瓦为内壁管的平均温 度； 定性温度弓采用算术平均法 l ：盟 2