（动力工程及工程热物理专业论文）螺旋通道内对流换热热力性能数值模拟.pdf

numerical simulation of thermal-hydraulic performance on convective heat transfer through a helical coiled passage a thesis submitted to chongqing university in partial fulfillment of the requirement for the degree of master of engineering by sujun chen supervisor: prof. shuangying wu major:power engineering and engineering thermophysics college of power engineering of chongqing university , chongqing, china april,2008 重庆大学硕士学位论文 中文摘要 i 摘 要 螺旋通道作为一种高效强化换热管，由于其结构紧凑广泛存在于各种机械装 置中的管路系统，热交换器以及核动力和其它动力装置系统中。尽管对螺旋通道 内对流换热的问题进行了大量的研究， 但大部分都是以热力学第一/二定律为基础， 针对螺旋管通道内层流充分发展段对流换热特性的研究。而螺旋管通道内湍流对 流换热特性的研究和螺旋通道入口段内对流换热特性的研究都很少，是迫切需要 解决的问题，也是对管路系统的性能以及机械装置运行安全至关重要的问题。因 此本课题的研究具有重要的理论意义和广阔的应用前景。 本文在总结和分析了一个世纪以来有关曲线管道内流动和换热特性的研究成 果的基础上，对两种典型工况下圆形截面螺旋通道内包含入口段的三维层流对流 换热，三维湍流对流换热以及螺旋通道内无量纲熵产数进行了系统的数值模拟。 此外还对恒壁温工况下内环加热外环绝热和内环绝热外环加热以及内外环均加热 三种情况下环形截面螺旋通道内三维层流对流换热的热力性能进行了数值模拟。 研究的雷诺数为 200-1000(层流)和 2 104-6 104(湍流)， 无量纲螺距为 0.1-0.2， 曲率 范围为 0.1-0.3。详细讨论了各种无量纲参数对螺旋通道内轴向速度分布，轴向温 度分布，管道摩擦系数，管道努谢尔特数以及管道无量纲熵产数的影响，计算结 果表明： 在入口段，二次流的作用可以忽略，随着转角的增大，二次流作用加强。 垂直于轴向截面的最大速度向管外侧移动，当流动为层流时，温度分布出现两个 涡胞，当流动为湍流时，温度分布却没有发现涡胞。 轴向截面平均摩擦系数，轴向截面平均努谢尔特数和螺旋通道内无量纲总 熵产数随着雷诺数，曲率和螺距的变化呈现不同的变化规律，和曲率相比，螺距 对传热和流动性能的影响可忽略不计。 与两种典型工况下直管内层流流动相比，圆形截面螺旋通道内充分发展段 轴向横截面平均努谢尔特数是直管的 2.622-7.1 倍(恒壁温工况)和 2.64-7.3 倍(恒热 流工况)；圆形截面螺旋通道内轴向横截面平均摩擦系数是直管的 1.5-3 倍(恒壁温 工况)和 1.62-3.23 倍(恒热流工况)。与两种典型工况下直管内的湍流流动相比，圆 形截面螺旋通道内充分发展段轴向横截面平均努谢尔特数是直管的 1.35-2.2 倍(恒 壁温工况)和 1.7-2.7 倍(恒热流工况)；圆形截面螺旋通道内充分发展段轴向横截面 平均摩擦系数是直管的 1.4-2.25 倍(恒壁温工况)和 1.57-2.52 倍(恒热流工况)。 恒壁温工况下环形截面螺旋通道内的对流换热热力性能，其变化规律与圆 形截面变化规律相同。但与圆形截面螺旋通道相比，num和 fm减小。外侧加热时， 重庆大学硕士学位论文 中文摘要 ii num平均减小 21.4%，fm平均减小 20.6%；内侧加热时 num平均减小 11.6%，fm平 均减小 15.6%。两侧均加热时，外环的 num和 fm与外侧加热时相比，内环的 num 和 fm与内侧加热时相比，fm没有变化，num增加且波动增强。螺旋通道内无量纲 总熵产数首先在环形截面螺旋通道两侧加热时最大，其次是圆形截面的情况，再 次是外侧加热的情况，最后是内侧加热的情况。 关键词关键词：层流换热，湍流换热，螺旋通道，热力性能，数值研究 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 iii abstract helical coiled passage are widely employed in many industrial applications, such as piping systems, heat exchangers, chemical reactors and many other engineering systems, because of their compact size and high heat transfer performance. the heat transfer and flow characteristics in a helical coiled passage have been dealt with for quite some time based on the first /second thermodynamics. it is found that most of the previous studies are restricted to the heat transfer and flow developments for fully developed laminar forced convection in a helical coiled passage. while the research of the three-dimensional turbulent flow and heat transfer in a helical coiled passage and the research of the flow and heat transfer in the entrance region of helical coiled passage, both have become one of the urgent problems in engineering and one of challenging research fields in fluid mechanics. consequently, this study is significant in theory and has a broad application future. the detailed review of the research on the flow and heat transfer in the curved pipes from the last century is firstly made in this dissertation. based on the review, three-dimensional turbulent forced convective heat transfer, three-dimensional laminar forced convective heat transfer and non-dimensional entropy generation number in a helical coiled passage (entrance included) with circular cross section under uniform wall temperature condition and uniform heat flux condition have been researched by numerical simulation. furthermore, the numerical computations reveal the laminar forced convective heat transfer in the helical coiled passage (entrance included) with annular cross section when the inner annular wall is heated and the outer annular wall is insulated, and the outer annular wall is heated and the inner annular wall is insulated, and the inner annular and outer annular are heated respectively. the results presented in this paper cover a reynolds number range of 200-1000(laminar flow) and 2 104-6 104(turbulent flow), a pitch range of 0.1-0.2 and a curvature ratio range of 0.1-0.3. the variations of the distribution of velocity, the distribution of temperature, the average friction factor, the average nusselt number at different axial crosssections and the total entropy generation number with different dimensionless parameters have been examined. the results show that: the secondary flow is weak and can be neglected at the entrance region, but the effect of the secondary flow is enhanced, the maximum velocity perpendicular to 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 iv axial cross section shifts toward the outer side of helical coiled passage; two dean roll cells appear with the increase of axial angle when flow is laminar flow, but there no dean roll cell appear when flow is turbulent flow. the average nusselt number (num) and friction factor (fm) at every different axial location and the total entropy generation number present different characteristics when the reynolds number, curvature ratio and pitch change. compared with the curvature ratio, the pitch has relatively little influence on heat transfer and flow performance can be neglected. in the fully developed region, the helical coiled passage with circular cross section in this paper for laminar flow show 2.622-7.1 times (uniform wall temperature) and 2.64-7.3 times (uniform heat flux)of num in the heat transfer as compared to the straight tube, while the friction factor are 1.5-3 times (uniform wall temperature) and 1.62-3.23 times (uniform heat flux). compared with a straight tube for turbulent, the num are 1.35-2.2 times (uniform wall temperature) and 1.7-2.7 times (uniform heat flux) and fm are 1.4-2.25 times (uniform wall temperature) and 1.57-2.52 times (uniform heat flux). the thermodynamic characteristics in a helical coiled passage with annular cross section are the same as the helical coiled passage with circular cross section. compared with the helical coiled passage with circular cross section, the num is reduced by 21.4%, fm is reduced by 20.6% when outer annular wall is heated; the num is reduced by 11.6%, fm is reduced by 15.6% when inner annular wall is heated; when two annular wall are heated, the fm have no change with one annular wall is heated, the num have a little increase with one annular wall is heated. the order of the total entropy generation number in the helical coiled passage from largest to smallest is the two annular walls are heated, the circular helical coiled passage, the outer annular wall is heated and the inner annular wall is heated. keywords: laminar flow convection, turbulent flow convection, helical coiled passage, thermal-hydraulic performance, numerical investigation 重庆大学硕士学位论文 目录 v 目 录 中文摘要中文摘要 . i 英文摘要英文摘要 . iii 主要符号表主要符号表 . viii 1 绪绪 论论 . 1 1.1 概述概述 . 1 1.2 曲线管道内部流动与换热特性研究综述曲线管道内部流动与换热特性研究综述 . 2 1.2.1 平面弯管内的定常流动与换热特性 . 3 1.2.2 螺旋通道内的定常流动与换热特性 . 4 1.2.3 曲线管道入口段流动与换热特性 . 5 1.2.4 曲线管道内湍流研究 . 5 1.3 螺旋螺旋通通道内流动与传热特性研究意义道内流动与传热特性研究意义 . 5 1.4 本文的研究目的和主要内容本文的研究目的和主要内容 . 6 1.4.1 本文研究目的 . 6 1.4.2 本文研究的主要内容 . 7 2 圆形截面螺旋圆形截面螺旋通道通道内对流换热内对流换热数学物理模型及数学物理模型及数值模拟数值模拟方法方法. 8 2.1 物理模型及相关假设物理模型及相关假设 . 8 2.2 数学模型数学模型 . 8 2.2.1 层流流动控制方程 . 9 2.2.2 湍流流动控制方程 . 9 2.2.3 湍流模型 . 10 2.2.4 边界条件 . 11 2.3 几何模型的建立及网格生成几何模型的建立及网格生成 . 11 2.3.1 几何模型的建立 . 11 2.3.2 网格的生成 . 11 2.4fluent 数值求解数值求解 . 13 2.4.1 输入网格和检查网格 . 13 2.4.2 选择求解器 . 13 2.4.3 定义基本模型和流体物性 . 13 2.4.4 控制方程的离散及松弛因子的设定 . 13 2.4.5 流场初始化 . 14 2.4.6 迭代计算 . 14 重庆大学硕士学位论文 目录 vi 2.5 本章小结本章小结 . 14 3 圆形截面螺旋圆形截面螺旋通道通道内对流换热特性的数值计算结果与分析内对流换热特性的数值计算结果与分析 . 15 3.1 恒壁温工况下螺旋恒壁温工况下螺旋通道通道内层流流动热力性能分析内层流流动热力性能分析 . 15 3.1.1 速度场分布和温度场分布 . 16 3.1.2 雷诺数对传热和流动性能的影响 . 17 3.1.3 曲率对传热和流动性能的影响 . 18 3.1.4 螺距对传热和流动性能的影响 . 20 3.1.5 不可逆性能 . 21 3.2 恒恒热流热流工况下螺旋工况下螺旋通道通道内层流流动热力性能分析内层流流动热力性能分析 . 22 3.2.1 速度场分布和温度场分布 . 22 3.2.2 雷诺数对传热和流动性能的影响 . 24 3.2.3 曲率对传热和流动性能的影响 . 25 3.2.4 螺距对传热和流动性能的影响 . 26 3.2.5 不可逆性能 . 27 3.3 恒壁温工况下螺旋恒壁温工况下螺旋通道通道内湍流流动热力性能分析内湍流流动热力性能分析 . 28 3.3.1 速度场分布和温度场分布 . 29 3.3.2 雷诺数对传热和流动性能的影响 . 31 3.3.3 曲率对传热和流动性能的影响 . 32 3.3.4 螺距对传热和流动性能的影响 . 34 3.3.5 不可逆性能 . 35 3.4 恒热流工况下螺旋恒热流工况下螺旋通道通道内湍流流动热力性能分析内湍流流动热力性能分析 . 36 3.4.1 速度场分布和温度场分布 . 37 3.4.2 雷诺数对传热和流动性能的影响 . 38 3.4.3 曲率对传热和流动性能的影响 . 39 3.4.4 螺距对传热和流动性能的影响 . 40 3.4.5 不可逆性能 . 41 4 环形截面螺旋环形截面螺旋通道通道内对流换热特性的数值模拟内对流换热特性的数值模拟 . 44 4.1 物理模型物理模型 . 44 4.2 数学模型数学模型 . 45 4.2.1 控制方程 . 45 4.2.2 边界条件 . 45 4.2.3 计算结果的数值处理 . 46 4.3 计算结果分析计算结果分析 . 46 4.3.1 恒壁温工况下单侧加热时螺旋通道内层流流动热力性能分析 . 46 重庆大学硕士学位论文 目录 vii 4.3.2 恒壁温工况下内外侧均加热时螺旋通道内层流流动热力性能分析 . 59 5 结论结论与展望与展望 . 67 5.1 结论结论 . 67 5.2 后续工作展望后续工作展望 . 68 致致 谢谢 . 69 参考文献参考文献 . 70 附附 录录 . 75 重庆大学硕士学位论文 主要符号表 viii 主要符号表 a 螺旋管半径, m a 横截面面积, m2 a 环形截面螺旋通道加热面面积, m2 b 螺距, m cp 定压比热, j/kg k di 环形截面螺旋管内径,m do 环形截面螺旋管外径,m f 摩擦系数 h 流体对流换热系数, w/m2 k k 流体导热系数, w/m k k 湍动能, m2/s2 m 质量流量, kg/s ns 无量纲熵产数 nu 努谢尔特数 p 压力, pa q 对流换热量, w r 径向坐标, m r 螺旋半径, m re 雷诺数 s 比熵, j/kg k sg 熵产 t 温度, k ui i 方向的速度(i=1, 2 and 3), m/s u 径向流速, m/s v 周向流速, m/s w 轴向流速, m/s xi i 方向坐标(i=1, 2 and 3), m z 轴向坐标 希腊字母希腊字母 湍流耗散率, m2/s2 曲率 无量纲螺距 流体动力粘度, kg/m s 流体密度, kg/m3 w 壁面剪应力, n/m2 轴向角, 周向坐标 角标角标 b 流体主体 i 入口 o 出口 周向局部量 m 平均 w 壁面量 1 环形截面螺旋通道外侧壁面量 2 环形截面螺旋通道内侧壁面量 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 1 1 绪 论 本章在阅读大量文献的基础上，对近一个世纪已有的曲线管道内研究成果进 行了详细的分类综述，阐述了平面弯管和螺旋通道内部定常流动与传热特性，曲 线管道入口段流动与传热特性以及曲线管道内湍流流动的研究成果，论述了本文 工作的研究意义以及目的内容。 1.1 概述 曲线管道内的流动问题是被研究的较多，也是流体力学领域的基本问题之一。 作为一个典型的物理模型，对曲线管道内流动和传热特性的研究贯穿着流体力学 这一古老学科的发展过程。有关曲线管道的例子在工程应用和自然界中也随处可 见。它们被广泛的应用于化工设备和水电工程中的管道系统，各种动力设置，运 输机械以及核动力的冷却系统中，以实现流体的运输和热交换。同时生物血管内 的血液流动也是曲线管道内部流动的典型例子，对其的研究也是生物力学的重要 分支。因此，研究曲线管道的内部流动。不仅在流体力学领域有重要的理论意义， 而且在现实生活中具有广泛的应用价值。 众所周知，在曲线管道的流动中将会在垂直于轴向主流方向的截面上产生二 次流动，二次流动相对于主流在量级上虽然比较小，但对物质的输运，热量的传 递，管道的压降损失以及流动结构产生重大影响。对曲线管道而言，在离心力的 驱使下，在截面的中部，流体将向内侧或外侧流动，并在壁面处形成回流，这就 是二次流动。对二次流动的研究是曲线管道流动研究的主要内容之一。二次流动 以一定的速度携带流体粒子流向壁面，在壁面处流体粒子的速度迅速减小为零， 压力损失增加，摩擦阻力增大；另外，二次流动和其它流动一样，也受到壁面对 其的作用力，这同样会使弯管内的摩擦力比相同情况下直管内的摩擦力大。又由 于二次流的存在，流体粒子沿管道轴向呈螺旋状前进形成流管，并产生轴向涡量， 二次流动理论1-2认为，即使流动产生很小的偏移，其产生的轴向涡量将占垂直于 轴向方向涡量的 50%。另外，二次流能够增加流动的稳定性，曲线管道流动出现 湍流时的临界雷诺数要远远大于相同直管内的情况3。因此，二次流动和轴向主流 相比，虽然在量级上较小，但其对传热、传质以及流动稳定性的作用却不可忽视。 早在 1876 年，thomoson 就在观察明渠流动中发现了二次流动，并明确指出 这种由曲率引起的二次流动的作用是明显的。同时在工程应用中，通常情况下， 二次流动的存在会增加壁面摩擦阻力，其作用非常明显，因此要预测泵和风机的 功率，必须要知道因二次流的存在引起的压力损失。在冷却系统中，由于二次流 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 2 动的出现，使得曲线管道的对流换热效率相比直管有明显提高。引起曲线管道内 出现二次流动的原因是多种多样的。离心力(曲率的作用)，科氏力(旋转的作用)， 浮力(温度的作用)，管道壁面的作用力(挠率的作用)下都可以使得垂直于轴向主流 的截面上产生二次流动。从 dean 采用摄动方法求解了圆截面弯管的流动以来，大 量科学工作者分别从理论分析、数值计算和实验研究三个方面分析和研究了在不 同情况下的曲线管道流动。 本人通过阅读大量文献，将近一个世纪以来关于曲线管道流动的研究，大致 分为以下几类： 曲线管道内的定常流动(包括平面弯管，扭管，螺旋管以及温度变化的管道 内的流动)，最早的研究者为 dean4-5，他利用摄动方法求解了圆截面弯管内的粘 性流动，并且发现了二次流，称为 ekman 类型的涡场(简称 ekman 涡场6)。 曲线管道内的非定常流动，最早研究者为 lyne7，他采用奇异摄动方法， 成功求解了轴向压力梯度按余弦振荡时的圆截面弯管内的流动，并指出 ekman 涡 场被挤在靠近壁面的边界层内，而在管道中部，粘性力相对较小，粘性的作用可 以忽略，在该区域二次涡场与 ekman 涡场的方向相反，后人称为 lyne 类型的涡场 (简称 lyne 涡场8)。 处于旋转状态下曲线管道内的流动，最早研究者为 barua9，他采用摄动方 法研究了旋转直管内的流动，首次发现旋转管道系统中因科氏力而产生的二次流。 曲线管道入口段流动以及二次流形成与发展的流动研究。 发起者为 singh10 和 yao 和 berger11。 曲线管道内的湍流流动研究。 鉴于本文的研究内容，本文只对曲线管道内定常流动换热的研究现状，曲线 管道入口段流动换热的研究现状和曲线管道内湍流的研究现状进行详细的叙述， 对曲线管道内非定常流动和旋转状态下曲线管道内流动的研究现状不做叙述。 1.2 曲线管道内部流动与换热特性研究综述 早在十八世纪中叶，人们就开始对二次流动进行了观察和实验分析，1876 年， thomson 在对曲线流动的实验中发现在管道截面上出现了涡结构，也就是二次流 动。紧接着 williams 发现变截面管道内主流(轴向)速度分量的最大值将向外侧偏 移。eustice12-14并用墨水跟踪法直接地显示了弯管中二次流的存在。作为管道理 论研究的奠基人， dean 首次采用摄动方法求解了小曲率圆截面弯管内部流动。 dean 的研究使曲线管道的研究从理论上得到了突破，建立了能够简明地刻画弯管内流 动这一复杂物理模型的数学描述，使管内流动问题在理论研究上得以展开。从此 曲线管道内部流动引起了科学家们的广泛注意，通过科学家们近一个世纪的不断 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 3 努力研究，曲线管道内部流动的神秘面纱逐步揭开。 1.2.1 平面弯管内的定常流动与换热特