（化工过程机械专业论文）螺纹螺旋管强化传热的数值模拟及场协同分析.pdf

摘要 摘要 能源是对国家战略、经济以及社会稳定具有决定性影响的强政治、大战略 特性物质，寻求可持续的能源发展战略和先进的节能减排技术以应对当前的能 源与环境问题越来越受到世界各国的高度重视。多头错向旋流式换热器是为适 应新形势发展要求而研发出来的一种新型高效换热器，其采用的螺纹螺旋管是 一种新型的换热元件，目前很少有关于螺纹螺旋管换热与流动研究的报道。 论文根据计算流体动力学和数值传热学理论建立起螺纹螺旋管传热与流动 的三维数学模型。对多种流体介质，在宽广的雷诺数范围内，采用数值模拟的 方法对螺纹螺旋管管内强化传热与流动进行了研究，分析了螺纹螺旋管管内传 热与流动的规律，为其在实际工业中的设计和应用提供理论支持。 首先，运用f l u e n t 软件对光管的传热与流阻性能进行了数值模拟，验证 了所用数学模型和计算方法的可行性，在验证可行性的基础上对螺纹螺旋管进 行了大量的数值模拟研究。对所得数据进行处理和分析，探讨了雷诺数、曲率、 螺距、槽深、槽距以及流体物性参数对螺纹螺旋管传热与阻力性能的影响，得 出了一系列有益的结论。通过回归分析，得到了螺纹螺旋管传热与阻力性能的 准则关联式。 其次，从速度场与温度场相互协同的角度，对螺纹螺旋管强化传热的内在 机制进行了进一步研究。以场协同角作为强化传热场协同性的评价指标，探讨 了结构参数对螺纹螺旋管场协同性的影响。结果表明，场协同分析得出的结论 与螺纹螺旋管传热与流动的规律完全一致，利用强化传热场协同原理可以解释 结构参数的变化对螺纹螺旋管传热性能的影响。 最后，还结合场协同原理对螺纹螺旋管污垢性能进行了研究。结果表明， 相同工况下，螺纹螺旋管较光管具有更优越的抗结垢性能。随着污垢沉积厚度 的增加，场协同角在不断增大，螺纹螺旋管的换热性能在下降。污垢的存在严 重影响了螺纹螺旋管的强化传热效率，本文据此提出了换热管污垢预防的三点 建议，以提高换热元件抗结垢性能。 关键词：螺纹螺旋管；传热与流动；场协同；污垢；数值模拟 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft 1 1 eh u m a nc i v i l i z a t i o na n dt h es o c i a le c o n o m y ，t h e c o n t r a d i c t i o nb e t w e e nt h eh u m a nr i s i n ge n e r g yc o n s u m p t i o nd e m a n da n dt h el a c ko f e n e r g yi sp r o m i n e n td a yb yd a y ，t h ee n e r g yc r i s i sh a sb e c o m et h er o o to fw o r l dp e a c e c r i s i s t h en a t i o n a ls t r a t e g y 、e c o n o m i ca n ds o c i a ls t a b i l i t yw i l lb ei n f l u e n c e db yt h e e n e r g y ，f o ri t ss t r o n gp o l i t i c a ls t r a t e g ya n dm a t e r i a lp r o p e r t i e s ，s om o r ea n dm o r e c o u n t r i e sa l lo v e rt h ew o r l dg e tt h ea t t e n t i o no fs e e ks u s t a i n a b l ee n e r g yd e v e l o p m e n t s t r a t e g ya n da d v a n c e dt e c h n o l o g yf o re n e r g yc o n s e r v a t i o na n de m i s s i o nr e d u c t i o ni n r e s p o n s et ot h ec u r r e n te n e r g ya n de n v i r o n m e n tp r o b l e m t h r e a d e ds p i r a lp i p eh e a t e x c h a n g e ri san e wh i g he f f i c i e n c yh e a te x c h a n g e rw h i c hi sd e v e l o p e df o rt h en e w s i t u a t i o no ft h ei n d u s t r yr e q u i r e m e n t s t h et h r e a ds p i r a lp i p ei su s e di nt h en e wh e a t e x c h a n g e r ，i ti san e wt y p eo fh e a te x c h a n g ec o m p o n e n t s ，b u tt h e r ea r ef e wr e s e a r c h r e p o r t sa b o u ti ta tp r e s e n t b a s e do nt h ec o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c sa n dt h en u m e r i c a lh e a tt r a n s f e r t h e o r y ，e s t a b l i s h e d3 dm o d e lo fh e a tt r a n s f e ra n df l o wt ot h et h r e a ds p i r a lp i p e b y u s i n gt h ef l u e n ts o f t w a r e ，i nv a r i e t yo f f l u i dm e d i u ma n db r o a dr e y n o l d sn u m b e r r a n g e ，m a d ed e t a i l e dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s e a r c ht ot h ee n h a n c e m e n th e a tt r a n s f e r a n df l o wo ft h et h r e a ds p i r a lp i p e s ，t op r o v i d et h e o r e t i c a ls u p p o r tf o ri t sp r a c t i c a l a p p l i c a t i o n o nt h ef i r s t ，b yu s i n gt h ef l u e n ts o f t w a r e ，m a d en u m e r i c a ls i m u l a t i o n r e s e a r c ht oh e a tt r a n s f e ra n df l o wr e s i s t a n c ep e r f o r m a n c eo fl i g h tt u b e ，t e s tt h e f e a s i b i l i t yo ft h em a t h e m a t i c a lm o d e la n dt h ec a l c u l m i o nm e t h o d ，o nt h eb a s eo ft h e f e a s i b i l i t y ，al a r g en u m b e ro fn u m e r i c a ls i m u l m i o nw e r em a d et ot h et h r e a ds p i r a l p i p e s t h r o u g hp r o c e s sa n da n a l y s i st ot h ed a t a , t h ep a p e rd i s c u s s e dt h er e y n o l d s n u m b e r 、c u r v a t u r e 、p i t c h ，g r o o v ed e p t h 、s l o ta n dt h ep h y s i c a lp a r a m e t e r st h ei n f l u e n c e o nt h eh e a tt r a n s f e ra n dt h er e s i s t a n c ep e r f o r m a n c eo ft h et h r e a ds p i r a lp i p e ，a n da s e r i e so fb e n e f i c i a lc o n c l u s i o nw e r eo b t m n e d b ym e a n so fr e g r e s s i o na n a l y s i s ，t h e e x p e r i e n c ef o r m u l ao ft h eh e a tt r a n s f e ra n dr e s i s t a n c ew e r eo b t a i n e d s e c o n d l y ，f r o mt h ev i e wo ft h ev e l o c i t yf i e l da n dt e m p e r a t u r ef i e l ds y n e r g y ，b y i i a b s t r a c t u s i n gt h ef i e l ds y n e r g yp r i n c i p l eo ft h eh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t ，a n a l y z e dt h eh e a t t r a n s f e re n h a n c e m e n ti n t e r n a lm e c h a n i s mo ft h et h r e a ds p i r a lp i p e s b yu s i n gf i e l d s y n e r g ya n g l ea st h ee v a l u a t i o ni n d e xo ft h eh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t ，t h ep a p e r d i s c u s s e dt h ei n f l u e n c eo ft h es t r u c t u r ep a r a m e t e r so nt h et h r e a ds p i r a lp i p ef i e l d s y n e r g yp e r f o r m a n c e t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ef i e l ds y n e r g yc o n c l u s i o n sw e r e c o m p l e t e l yc o n s i s t e n tw i t ht h ee n h a n c e m e n th e a tt r a n s f e ra n df l o wr u l eo ft h et h r e a d s p i r a lp i p e s ，i ta l s of r o mt h ep o i n to ft h e t h e o r e t i c a la n a l y s i sm e t h o dt op r o v et h e a c c u r a c yo ft h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d t h ep a p e ra l s oc o m b i n e dw i t hf i e l ds y n e r g yp r i n c i p l ea n a l y s i st h ef o u l i n go ft h e t h r e a ds p i r a lp i p e s t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ，u n d e rt h es a m ec o n d i t i o n s ，t h et h r e a d s p i r a lp i p e sh a v em o r es u p e r i o rr e s i s t a n c eo fs c a l i n gp r o p e r t i e st h a nt h el i g h tt u b e w i t ht h ei n c r e a s eo ff o u l i n gd e p o s i t i o nt h i c k n e s s ，t h ef i e l ds y n e r g ya n g l ei n c r e a s e d ， p r o v e dt h a tt h eh e a te x c h a n g ep e r f o r m a n c eo ft h et h r e a ds p i r a lp i p e sf a l lo f f f o u l i n g h a v es e r i o u s l ya f f e c t e dt h eh e a tt r a n s f e re f f i c i e n c yo ft h et h r e a ds p i r a lp i p e s ，t h ep a p e r p u tf o r w a r dt h r e es u g g e s t i o n sf o rt h ef o u l i n gp r e v e n t i o no fh e a te x c h a n g et u b e s ，i n o r d e rt oi m p r o v et h eh e a tr e s i s t a n c ec o m p o n e n t ss c a l i n gp r o p e r t i e s k e yw o r d s ：t h r e a ds p i r a lp i p e s ；h e a tt r a n s f e ra n df l o w ；f i e l ds y n e r g y ；f o u l i n g ； n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i i i 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景及意义 能源是人类社会存在与发展的物质基础。随着人类文明进程的不断推进和 社会经济的不断发展，人类日益增长的能源消费需求和能源匮乏之间的矛盾日 益突出，能源危机已然成为世界和平危机的根源。能源是对国家战略、经济以 及社会稳定具有决定性影响的强政治、大战略特性物质，寻求可持续的能源发 展战略和先进的节能减排技术以应对当前的能源与环境问题越来越受到世界各 国的高度重视。 自改革开放以来，我国经济迅猛发展，国内生产总值和能源消费量同步迅 速增长，2 0 1 0 年的能源消费增速达到了1 1 9 。据权威专家预测，未来很长的 一个时期内，我国的能源消费需求将处于迅速增长阶段 1 j 。届时，中国能源消费 总量将有可能超过美国，成为世界能源消耗最大的国家。表1 1 是环球能源网在 2 0 0 6 年调查研究得出的相关结论【2 j ，由表中数据可以看出，我国资源总量丰富， 是能源大国，但是人均占有量却非常低。很显然能源问题已经成为我国社会主 义现代化建设过程中的一个瓶颈，解决能源问题迫在眉睫。 表1 12 0 0 6 年全球石油消费总量和人均石油消耗排名 消费石油总消费量排名平均每人消费人均油耗 国家人口( 万) ( 万吨) 石油量( 吨)排名 新加坡 4 4 94 4 0 02 29 8 01 阿联酋 2 6 01 9 7 03 37 5 8 2 科威特 2 4 21 4 0 04 05 7 93 卡塔尔 8 8 5 44 4 05 74 9 74 比利时和卢森堡 1 0 8 5 4 44 1 0 02 33 7 85 沙特阿拉伯 2 7 0 29 2 6 01 03 4 36 冰岛 2 9 9 41 0 06 03 3 47 美国 3 0 0 5 39 3 8 8 0 13 1 28 荷兰 1 6 4 94 9 6 01 83 0 19 加拿大 3 3 1 09 8 8 082 9 81 0 中国 1 3 1 4 5 71 2 0 3 020 2 75 3 第1 章绪论 为了缓和能源供应紧张，提高能源利用效率，为能源行业的科学发展提供 有利的保障，力图更好的为社会主义经济建设服务，应该积极在新能源开发、 高效节能装备开发、高效强化传热技术等方面有所突破。国家十二五节能减排 综合性工作方案提出【3 】，要以技术创新和技术进步推动节能减排，加快关键科 学问题的攻克；国家在十二五期间还会加大对节能环保、高效节能装备、新能 源等领域的投入，真正实现低碳经济、绿色生活的科学发展目标。目前，随着 2 0 世纪7 0 年代世界能源危机爆发而发展起来的强化传热技术是提高能效、节约 能源、降低成本的关键手段之一。该技术广泛应用于核能、动力、冶金、制冷、 石油化工乃至航空航天等工业领域中，而且研究的深度和广度将会日益扩大并 向新的领域渗透和发展。 在现实工业生产中，换热器是强化传热技术应用最广泛的设备。在整个工 艺过程中，换热器在动力消耗方面、设备投资方面所占的比重都非常大，是保 证工艺过程正常进行必不可少的通用设备。例如，在化工厂中，换热设备的投 资约占全部设备投资的1 0 0 旷2 0 ；在炼油厂中，换热器的投资约占总投资的 3 5 , - 4 0 ；在热电厂中，换热设备的投资要占全部投资的7 0 左右 4 1 。因此， 运用强化传热技术进行合理的研究设计，制造出高效节能的换热器，使之节省 资金、能源、金属消耗和所占的空间，力图以最经济( 体积小、质量小、成本 低) 的换热设备来完成工业生产过程中的工艺要求，这对于国民经济的发展具 有非常重要的意义。 图1 1 多头错向旋流式高效换热器 多头错向旋流式换热器是为适应新形势下的工业要求研发出来的一种新型 高效换热器，实物如图1 1 所示。该换热器结构紧凑、占地面积小、传热效率高、 2 第1 章绪论 使用寿命长，具有良好的节能效果，可广泛应用于石油化工、冶金、电力、制 药、食品、暖通以及能源动力等相关领域。其采用的螺纹螺旋管是一种新型的 换热元件，而目前却很少有关于螺纹螺旋管管内换热与流动研究的报道。 本课题来源于江西省科技厅科技攻关资助项目“多头错向旋流式高效换热 器的研发与产业化 ，课题主要采用f l u e n t 软件对螺纹螺旋管管内强化传热和 流动阻力特性进行研究，以期为螺纹螺旋管在实际工业中的应用提供理论依据。 1 2 强化传热技术概述 强化传热技术是指能改善设备传热性能，用最经济的的设备传递更多热量 的节能新技术。对于换热器的强化传热，就是实现换热器在单位时间、单位传 热面积传递热量的能力得到增强的目的。 1 2 1 强化传热的途径 导热、对流、辐射是热量传递的三种主要方式，其中对流换热是换热设备 中普遍存在的形式，对流换热的强化也成为强化传热技术领域的热点研究方向。 本文探讨的螺纹螺旋管管内传热与流动就是属于对流强化传热的研究。 传热的基本公式为【5 j ： q = k a a t( 1 1 ) 式中：k 为传热系数，单位为w ( m 2 k ) ； 彳为换热面积，单位为m 2 ； 缸为平均传热温差，单位为k 。 由( 1 1 ) 可知，强化传热过程可以通过增加传热面积4 、增大平均传热温 差垃、提高传热系数k 三种方式来实现，其中提高传热系数是增加换热设备换 热量的主要途径。 1 2 2 提高传热系数的方法 提高传热系数的方法主要分为主动强化和被动强化两种【5 j 。 ( 1 ) 主动强化 主动强化也称有源强化技术，指需要利用外加的能量来增强传热的技术。 常用的方法主要包括：对换热流体介质做机械搅拌、使换热表面振动或使流体 第1 章绪论 振动、将电磁场作用于流体以促使换热表面附近流体的混合、将异种或同种流 体喷入换热介质或将流体从换热表面抽吸走等技术。 ( 2 ) 被动强化 被动强化也称无源强化技术，指除了输送传热介质的功率消耗外不再需要 附加动力来增强传热的技术。常见的方法主要包括：涂层表面、粗超表面、扩 展表面、扰流元件、涡流发生器、射流冲击、螺旋管以及添加物等手段。 由于主动强化传热技术需要附加能量等因素的限制，实际工程中普遍采用 的是被动强化传热技术。在管壳式换热器中，采用最多的被动强化传热技术是 采用粗糙表面或扩展表面的强化传热管。迄今为止，国内外的专家学者们应用 粗糙表面技术开发出了多种异形强化传热管，并且在实际工业生产中得到广泛 的应用，主要有：螺旋槽管、放置扰流元件传热管、缩放管、波纹管、针翅管、 钉头管、横纹槽管、锯齿形翅片管、花瓣形翅片管、螺旋扭曲扁管等，各种强 化传热管实物结构如图1 2 图1 7 所示。 图1 2 螺旋槽管 图1 4 波纹管 图1 6 翅片管 图1 3 放置扰流元件传热管 图1 5 缩放管 图1 7 横纹管 高效强化传热元件的研究是新型高效换热设备研发与制造的基础。本课题 所研究的螺纹螺旋管是一种新型强化传热管，主要用于管内单相流体的强制对 流换热，实物如图1 8 所示。由图可知，该换热管结构新颖，换热管流道呈现为 4 第1 章绪论 螺旋形，在螺旋管壁面处有螺纹状的凹槽。螺旋形的流道一方面可以改变流体 在换热管内的流动形态，增强流体的湍流强度，有效地促进流体的混合；另一 方面在有限的空间内，螺旋形的结构可以容纳更长的管路，节省了空间。管壁 的螺旋槽结构使流体留经壁面时产生脱离区，会加速边界层流体的扰动。由于 结构的特殊性，螺纹螺旋管内的流动特性相当复杂，对其传热与流动规律的研 究具有重要意 图1 8 螺纹螺旋管 1 3 国内外对螺旋管内传热与流动的相关研究 螺旋管作为一种强化换热管，由于具有结构紧凑、传热效率高等特性而被 广泛应用到空调制冷、石油化工以及能源动力等换热设备中，螺旋管内的传热 性能和流动特性一直备受关注。 1 3 1 国外相关研究 国外的科学技术工作者很早就开始关注螺旋管内的流动情况。1 9 2 5 年， j e s c l l l ( e 【6 j 研究了螺旋管内空气的换热特性，得到雷诺数在4 0 0 0 15 0 0 0 范围内流 动换热的经验公式： n up r - o 一= 0 0 4 5 ( 1 - i - 3 5 4 d d c ) r e o 7 6 ( 1 2 ) 由于当时条件的局限性，该式的准确性并不高，没有得到推广。 19 2 7 年，m e r k e t t 7 】对直管内流动换热公式进行修正，得到了螺旋管内空气换 热的准则关联式： 第1 章绪论 n u p r 州= 0 0 2 3 ( 1 + 3 5 4 d d c ) r e o 8 ( 1 3 ) 该式在修正时是用螺旋管的曲率比作直线，由于应用范围的局限性也很少被后 人采用。 d e a l l 【8 1 在1 9 2 8 年提出d n 数的概念，它表示流体在螺旋形管道中流动时的离 心力和粘性力之比，并且认为它是决定螺旋管内流动相似性的唯一因素。d n 数 的计算公式为： d n ：r e 拓历 ( 1 4 ) 式中：d 和d 分别为螺旋管直径和螺旋直径。由于离心力的作用会使管中流体 在螺旋管内外侧造成一定的压差，在压差作用下形成二次流，这种二次流的作 用提高了螺旋管的传热系数。这也是首次对螺旋管的强化传热机理进行阐述， 该观点也被后来的研究者所普遍认同。 s c b a n 和m a c l u g h l i n 9 1 以水为工质进行了实验研究，雷诺数范围为 6 0 0 0 6 5 6 0 0 。忽略轴向和周向导热，假设材料导热系数恒定，得到的换热计算 公式为： p r 。0 一= 0 0 2 3 r e o 彤( ：d d c ) 0 1 = 0 0 2 3 r e d n o 0 5 ( 1 5 ) 该公式计算精度良好，在工程实际中被广泛引用。 随后，m o r i 和n a k a y a m 1 0 , u 1 用半经验半理论的方法研究了等热流工况下管 内充分发展的传热特性。对于空气等小普朗特数的工质，换热公式为： nu=志262 ( p r 3 0074)赋气争)c南re(dd c ) n 6 ， 7 一 i lj 上式应用范围为p r 1 ，r e ( d d ，) 2 o 1 ，对于水等高普朗特数的工质，文献中 推荐采用如下公式： m r 0 4 1 5 d 蚪形, 4 1d c + 赢rd d5 。、 ip r八2 + ri 、 随着计算机技术的迅速发展和人们对湍流模型的不断深入研究，运用数值 模拟的方法对螺旋管管内传热与流动进行研究成为了研究的主要手段。gy a n g 和m a e b a d i a i l 蚴使用k s 湍流模型模拟分析了充分发展的螺旋管内湍流换热 性能，在螺旋极坐标下推导出了数值模拟的数学模型。结论表明，横截面的温 6 第1 章绪论 度场分布是不均匀的，p r 数的增加会减弱节距对传热效果的影响，随着雷诺数 的增加螺旋管的传热性能增强。 c x l i n 和m a e b a d i a n l l 3 】对螺旋管内充分发展的流动换热特性进行了 三维数值模拟分析。湍流模型使用的是标准的k s 双方程模型，雷诺数2 5 1 0 4 1 0 x1 0 5 ，无量纲螺距和曲率分别为0 0 6 、o 0 2 5 0 0 5 。结论表明，节距、 曲率和雷诺数对螺旋管的传热性能产生了影响，平均努塞尔数在管内侧和管外 侧大小不一样。 h u t t l t z 和f r i e d r i c h r 【1 4 】使用d n s 方法对螺旋管管内充分发展的湍流流动 进行了研究。作者在正交螺旋形极坐标下，使用二阶有限体积法发展了流动的 控制方程。研究后得到结论：螺旋管内的湍流强度主要受曲率的影响，并且是 二次流的主要诱发因素，影响强度在曲率为6 = 0 1 时达到最大，节距的影响却 不如曲率大。 t h k o 和k t i n g e ”】从热力学第二定律的角度，在恒壁温工况下对螺旋管内 的层流换热特性进行了数值模拟研究，得到了传热性能最好时的最佳结构参数 和雷诺数。发现雷诺数在2 2 7 1 - 4 2 7 7 、曲率在0 1 7 0 , 3 时传热效果极佳，并且证 实了平均努塞尔数随雷诺数和螺距的增大而增大，小曲率下的努塞尔数可能会 比大曲率下的大；管内总熵产随着雷诺数的增加而增加，随曲率的增大而减小， 螺距对熵产的影响比较小。 i v a nd ip i a z z a 和m i c h e l ec i o f a l o 1 6 j 分别采用k s 、s s tk c o 、兄s 肜一c o 湍 流模型对螺旋管内的湍流传热与流动进行了数值计算并且将结果与直接数值模 拟方法和实验方法得出的结果进行比较，发现s s tk c o 和船形一c o 模型在 r e = 1 4 1 0 48 1 0 4 ，p r = 0 7 5 6 ，曲率6 = 3 1 0 o 3 的范围内得出的结果 与实际更加贴切些。 n a p h o np 【1 7 , 1 8 1 、s h o k o u h m a n dh 【1 9 ，2 0 1 、e d u a r dm a r u s i c p a l o k a e 2 1 1 等学者对螺 旋管的传热与流动特性开展了大量卓有成效的研究工作，得到了许多有价值的 成果。 1 3 2 国内相关研究 我国对螺旋管的研究相对比较晚，由于工业发展的需要以及螺旋管在强化 传热上的独特优势，从八十年代开始，国内的西安交通大学、山东大学、浙江 大学、重庆大学等研究机构对螺旋管开展了系统的研究，取得了丰硕的成果。 第1 章绪论 西安交通大学郭烈锦、陈学俊等【2 2 1 对螺旋管内单相水、汽和沸腾条件下的 汽水两相流强制对流换热特性进行了试验研究，总结出了局部传热系数的分布 规律及各种工况下的平均传热系数经验公式。测量了传热系数沿螺旋周向( 9 ) 和 截面周向( 妒) 的变化规律，分析了不同区段局部传热系数间差异产生的原因。随 后，西安交通大学白博峰、冯自平等1 2 3 j 在更宽广的参数范围内对螺旋管内紊流 换热特性进行了试验研究。试验结果表明，湍流流动与二次流动的共同作用使 得螺旋管管内传热效果得到强化，并且发现雷诺数越大，二次流对强化换热的 贡献逐渐变小，平均换热系数反而越接近于同等条件下直管的换热系数；换热 系数在圆截面上的分布很不均匀，最外侧换热系数可达最内侧的3 4 倍，最内 侧换热系数是平均换热系数的0 5 倍；换热系数在流动方向的分布具有周期性的 特点，拟合出螺旋管内平均换热系数的计算公式为： n u = 0 3 2 8 r e 0 5 8 p r n l ( 口6 1 。) n 1 1( 1 8 ) 式中，r e 为雷诺数，p r 为普朗特数，肛。为主流粘性系数，。，为壁面粘性系数。 重庆大学李隆键、辛明道等【2 4 j 以水为工质对三维内肋螺旋管内的传热与流 动性能进行了详细的实验研究，实验采用的雷诺数范围是r e = 1 0 0 0 8 5 0 0 。研究 发现，三维内肋对螺旋管内对流换热性能有很大的强化作用，但同时内肋的存 在使得流阻也有一定程度的增加。在相同工况下，内肋管的换热系数是未加肋 的螺旋光管的1 7 1 2 0 3 倍。 山东大学来逢逢【2 5 j 对螺旋管内替代制冷剂r 13 4 a 的饱和泡状沸腾过程进行 了三维数值模拟研究，得到了饱和沸腾过程温度场、速度场和体积含气率的分 布规律，以及换热参数沿流动方向的变化情况。结果表明，数值模拟能够很好 的模拟螺旋管内饱和泡状沸腾传热性能，比较得出立式螺旋管具有很好的强化 传热性能。还详细分析了质量流量、热流密度以及结构参数的变化对螺旋管内 饱和泡状沸腾传热系数的影响。 重庆大学吴双应、陈素君等瞄6 j 在恒壁温工况下，先后对螺旋管内三维层流 换热、湍流换热和自然对流三种工况下的热力性能进行了数值模拟研究。在一 定结构参数和流动范围内，研究了螺旋管内不同截面的温度场和速度场分布情 况，以及雷诺数、曲率和螺距对螺旋管平均努塞尔数和平均摩擦系数的影响规 律，同时还分析了螺旋管内的总熵产随雷诺数、曲率和螺距的变化规律。结果 表明，轴向截面平均努塞尔数随着雷诺数的增大而增大，随着曲率的增大而减 第1 章绪论 小；轴向截面平均摩擦系数随着雷诺数的增大而减小，随着曲率的增大而增大； 螺旋管内总熵产随着雷诺数的增大而增大，随着螺旋曲率的增大而减小；螺距 对螺旋管热力性能的影响相对比较小。 东南大学热能工程研究所马卫民【2 9 j 对卧式螺旋管内沸腾临界后传热进行了 研究。实验发现，卧式螺旋管在沸腾临界后的壁温变化相当剧烈，壁温不但沿 长度方向近似呈线性增长，而且还沿周向变化。在临界后传热区，壁温沿周向 的变化加剧，即周向温度梯度增大。在实验范围内，管圈内侧和外侧的外壁温 度之差最高可达3 0 0 c 。经过大量实验，由多元线性回归分析得到螺旋管截面上 的平均换热系数计算公式： n u 譬= 0 0 0 2 2 5 4 ( r e 蹦) n 2 ( p r g ，。) 0 9 2 尹2 ( 尼g k 。) 州8 9 ( 1 9 ) 同济大学陈志光、秦朝葵等【3 0 】在研究对沼气池进行加热的过程中，采用实 验方法对螺旋管换热器对流传热系数进行了测定，并利用f l u e n t 软件对螺旋 管管内换热性能进行了数值模拟。结果发现，在自然对流情况下螺旋管换热器 的传热系数为3 5 0 5 0 0w ( m 2 k ) ，强制对流情况下传热系数为 4 0 0 7 3 0w ( m 2 k ) ，f l u e n t 软件的数值模拟结果与实验结果基本一致。 山东大学陈文文、邵莉等【3 l 】利用f l u e n t 流体仿真软件对螺旋管内换热和 流动特性进行了数值模拟，给出了螺旋管不同截面的速度场和温度场分布情况， 并详细分析了螺旋管入口段离心力和二次流对速度和温度分布的影响。研究发 现，壁面平均努塞尔数和压力损失随着雷诺数和曲率的增大而增大，节距对螺 旋管壁面平均努塞尔数和压力损失造成的影响比较小。 综上所述，对于螺旋管传热与流动特性的研究是一个经久不衰的热门课题。 对于螺旋管内的传热与流动机理研究正在趋于完善，目前有待探讨的课题是该 如何运用前辈们历尽艰辛创造出来的成果去指导工程实际，更好的强化螺旋管 的传热，最终服务经济建设。因此，要在更加宽广的流动工况和结构参数范围 内，找出传热性能最好同时阻力损失最小的螺旋管。本课题就是要对多头错向 旋流式换热器中的螺纹螺旋管管内传热与流动的规律进行分析研究，以期为螺 纹螺旋管在实际工业中的应用提供理论依据。 1 4 换热设备污垢的相关研究 众所周知，污垢的形成会造成换热设备流动阻力增大，换热效率下降，从 9 第1 章绪论 而增加能源损耗甚至影响设备的使用寿命，严重的还会酿成生产事故，这对于 经济效益的影响是很大的。据有关资料统计，污垢的问题给各国工业生产造成 的经济损失高达0 3 ，所以研究污垢具有重要的意义。 早在1 7 5 6 年就有关于污垢方面的文献出现，是l e i d e n f r o s t 观察到加热面上 水滴蒸发后形成沉积物而发表的报告【3 3 1 。此后的2 0 0 多年里，更多的专家学者 们投入到了对污垢的系统研究中。污垢的种类有许多种，根据不同的产生过程、 不同的领域等等会有不同的分类方法【3 训。污垢的研究真正意义上走上科学轨道 是在k e m 和s e a t o n 提出污垢分析模型之后，h a s s o n 3 5 , 3 6 , 3 7 j 将换热面上碳酸钙的 析出过程比拟成传质过程进行模拟研究，并且在k e m s e a t o n 模型的基础上分析 得到了污垢的分析模型。以后相关研究就是在此基础上展开并且深入的，其中 以e p s t e i n 3 8 - - 4 1 、s h e i k h o l e s l a m i 4 2 , 4 7 】、p a n c h a l 4 3 , 4 4 】、z u b a i r 【4 5 ，4 6 】等人为代表的科 技工作者，对不同领域不同场合的污垢进行了理论上和实验上的而研究，取得 了丰硕的成果。 我国的科技工作者于上世纪八十年代开始进行污垢方面的研究工作。杨传 芳等运用拍摄法研究了不同材质表面的污垢沉积情况。杨善让等对析晶污垢和 颗粒污垢的污垢热阻进行了实验研究，随后还将强化传热技术与抗结垢技术相 结合研发出一台除垢强化器，并对其传热与阻力特性做了详细的研究。许保玖、 李仲先、徐志明等人在污垢的形成机理和除垢技术的实验研究方面也开展了大 量卓有成效的工作【32 | 。 实验研究需要耗费大量的人力物力，而且对于结垢过程的形成很难观察到。 随着计算机技术和计算流体动力学的发展，科技工作者们开始探索用数值模拟 的方法开展对污垢形成过程的研究，并且与实验结果能很好的吻合。 东北电力大学徐志明，张进朝等【4 8 j 对c a s 0 4 析晶污垢传热传质过程进行了 分析与简化，建立了c a s 0 4 析晶污垢形成过程的数学模型，并运用f l u e n t 流 体仿真软件进行了数值模拟研究，给出了换热管温度场、速度场及c a s 0 4 浓度 场的分布情况，并且得到了污垢的沉积率、剥蚀率以及污垢热阻随时间的变化 规律。同时将数值模拟结果与相同条件下的实验结果进行对比分析，两者之间 的误差在允许的范围内，验证了数值模拟的准确性和可行性。随后，徐志明、 刘爱付等将1 4 9 j 理论分析模型运用在交叉缩放椭圆管中，对交叉缩放椭圆管中的 c a c 0 4 污垢形成过程进行了数值模拟，计算结果与实验数据基本一致。 中国石油大学孙卓辉【5 0 j 采用s i m p l e 算法对二维矩形通道内的c a s 0 4 析晶 1 0 第1 章绪论 污垢进行了数值模拟分析，结果发现，在恒壁温时，结垢速率随着入口流速的 增大而增大；在恒热通量时，结垢速率随着流速得增大而减小。表面温度升高 时结垢速率也增大，同时结垢速率也随溶液浓度的增加而增大。 南昌大学李红【5 1 】采用f l u e n t 流体分析软件提供的m i x t u r e 模型对螺旋槽 管的污垢性能进行了数值模拟研究。用p h a s e 2 体积分数代表颗粒污垢的沉积量 作为换热管的抗污垢性能指标，通过与光管对比分析了其抗结垢特性。数值模 拟结果表明螺旋槽管相对光管具有更优越的抗结垢性能。 张艾萍，徐志明掣5 2 】采用f l u e n t 软件数值模拟了污垢对光管内层流对流 换热时的温度场和速度场，并且分析了速度场与温度场之间的协同性随污垢厚 度变化的情况。结果表明，随着污垢厚度得增加，温度梯度逐变小，使得总的 传热系数减小，垢层厚度增大到一定程度后，场协同角基本不变。 孟晓曦，郑茂等【5 3 】运用c a c 0 4 污垢形成过程的数学模型，对缩放管内的污 垢形成情况展开了数值模拟分析，得到不同工况下管内污垢的沉积率、剥蚀率 及污垢热阻随时间的变化规律，并且还详细分析了流速、浓度、温差等因素对 结垢情况的影响。 污垢研究是一个学科交叉性很强的问题。迄今为止，污垢问题还没有得到 完全的解决，这也是当前众多传热方面的专家学者们很感兴趣的研究课题之一。 1 5 强化传热场协同理论的相关研究 当前，强化传热技术虽然被广泛应用在各个工业领域中，但现有技术的发 展大都缺乏创新，大部分还是以探索性试验为主，只是在已有的基础上进行相 关改进，这样并不利于新理论新技术的发展。 清华大学过增元教授及其学术团队从速度场和温度场相互配合的角度重新 审视了对流换热的物理机制，并创造性地提出了强化换热的场协同原理。该理 论不但能统一认识现有各种对流换热现象的本质，更重要的是在它的指导下能 发展一系列新的强化传热技术。自从过增元教授提出场协同原理后，我国传热 学界对这一思想的研究和探讨十分活跃。经过众多学者在场协同方面不懈的努 力，已取得了显著地成果。 过增元教授【5 4 】对能量方程进行分析，把对流换热比拟为有内热源的导热问 题，从新的角度重新分析了对流换热的物理机制。通过对能量方程的求解，推 第1 章绪论 导出传热性能的强弱不仅与流体的物性和雷诺数等有关，还与速度矢量与温度 梯度矢量问的协同程度有关。该文中还推导出了表征协同性的s t a n t o n 数，并用 场协同理论解释了为什么流速变大的时候传热反而变弱的原因。 王娴、宋富国等1 5 5 j 采用s i m p l e r 算法和交错网格对二维顺排翅片通道与平 直平板通道进行了数值研究。研究发现，随着r e 的增加，平直平板通道的n u 基 本保持不变，而顺排翅片通道的n u 有所增加；平直平板通道和顺排翅通道的积 分值i n t 均随r e 的增加而增加，且顺排翅片通道的积分值增加得比较快，在相同 r e 下顺排翅片通道的换热性能比较好，证明了场协同理论的正确性。 苏欣、程新广等1 5 6 j 对强化传热场协同原理进行了验证，他们在一定粘性耗 散的条件下推导出稳态层流对流换热的场协同方程，并对二维方腔内空气的层 流对流换热进行数值分析。结论验证了场协同方程的正确性，并且通过实际的 例子证实了场协同方程对于发展新型强化换热技术具有很好的指导作用。 刘伟、刘志春等1 57 j 运用传热强化场协同原理，对内插物强化传热管管内流 动与传热进行了数值模拟研究，揭示了流体质点物理量间的协同规律及其与传 热强化之间的关系，得到了反映质点物理量协同关系的数学表达式，并且阐述 了换热强化和流体减阻的物理机制。 陈颖、邓先和等【5 8 j 用数值模拟的方法求解出二维粗糙肋面中充分发展的湍 流流动的速度场和温度场的分布情况。研究发现，湍流流场中的温度场与速度 场的夹角对传热的强化具有重要的控制作用，n u 不仅与传热温差f 、流体壁面 底层的厚度6 相关，而且也与c o s 0 相关；在湍流流场中有规律地加上圆肋后， 可使流体的流动形态发生改变，有效的增强了温度场与速度场的协同程度，达 到强化传热的目的。 山东大学唐玉峰、田茂诚等【5 9 j 以空气为工质，运用数值模拟结合场协同原 理对螺旋槽管内的对流换热进行了分析。结果表明，螺旋槽管螺纹凸起部分的 场协同性能优于平管壁部分，使得整个壁面上的场协同性能显著提升，从而能 够有效强化传热。壁面的平均协同角余弦随着螺纹节距的增加而减小，随着螺 纹高度而逐渐增大。作者根据场协同原理分析得出螺纹凸起的顶部流速较大致 使协同角余弦较小从而在很大程度上提高整体的换热性能的结论。 刘伟、刘志春等【6 0 j 根据湍流零方程模型和k s 两方程模型，建立了湍流换 热的能量和动量协同方程，将强化传热的场物理量协同原理由层流扩展到湍流。 数值模拟了圆管内置旋扭式螺旋片的强化传热，证明了湍流换热场物理量协同 第1 章绪论 原理具有普遍性。因此，根据湍流换热流场的物理量协同关系，对各种不同的 管内强化传热元件和表面的换热性能和流动阻力进行分析比较，从而为提高传 热单元或换热器的综合性能提供理论和设计依据。 场协同效