（机械设计及理论专业论文）螺旋槽管换热过程的三维数值模拟.pdf

摘要 摘要 高效强化传热管的研究一直是传热领域最活跃和最有生命力的重要研 究课题。螺旋槽管( 亦称螺纹管) 是其中的一个重要分支，它是一种优良的 高效异形强化传热管件。螺旋槽管是将光滑管在特殊的成型设备上滚压而 成，并且可以在光滑管壁上加工出各种不同的螺旋槽。其主要结构参数有 内径d ，螺距p ，槽深e ，壁厚，螺旋升角和头数。 本论文以普通光管和滚压成型的螺旋槽管为研究对象，对介质为水的 两种管型换热器表面的对流换热问题进行理论分析，建立理论模型。运用 a n s y s 有限元分析软件对两种管型换热器的对流换热过程( 逆流) 进行三维 数值模拟。 首先，采用多组分传输的方法，能够同时模拟出内、外流体的温度 场、速度场，管壁的温度场，得到换热管的平均对流换热系数。重点分析 管材壁厚r 对换热系数的影响、螺旋槽管的螺距p 、螺旋升角鼻、槽深e 对流场和温度场以及换热效果、阻力的影响，从理论上探讨了其强化传热 机理，并和光管的换热性能进行比较，证明了其强化换热的效果。 其次，将螺旋槽管换热过程的数值模拟结果与已有的无相变换热性能 实验结果进行比较，进一步验证了数值模拟的可靠性，从而对实践起到一 定的指导作用。 最后，通过运用换热性能的评价准则，对所研究的螺旋槽管进行强化 换热性能评估，找到适用于不同流动状态的最佳几何参数。并提出合理的 优化设计方案，为生产提供理论基础，实现对其换热的可预见性。 关键词 螺旋槽管；光管；强化换热；a n s y s ；数值模拟；槽深；螺距 评价 燕山大学丁学硕士学位论文 a b s t r a c t t h er e s e a r c ho nh i g h e f f e c t i v es p e c i a ls h a p et u b ef o re n h a n c e dh e a t t r a n s f e ri st h em o s ta c t i v ea n di m p o r t a n tr e s e a r c hs u b j e c ti nh e a tt r a n s f e ra r e a s p i r a l l yg r o o v e dt u b ei st h ei m p o r t a n to n eo f t h e m t h i sk i n do ft u b ei sf o r m e d b ym e a n so fr o l l - p r e s s i n gp r o c e s so ns m o o t ht u b et h r o u g hs p e c i a lt b r m i n g d e v i c e ，a n dc a nb em a n u f a c t u r e di n t om a n yk i n d so fs p i r a l l yf l u t e s t h em a i n s t r u c t u r ep a r a m e t e r so fs p i r a l l yg r o o v e dt u b ea r ed i a m e t e ro ft u b e ，f i np i t c h ， c o r r u g a t i o nd e p t h ，w a l lt h i c k n e s s ，s p i r a l l ya n g l ea n ds p i r a l l yn u m b e r s ， i nt h i sp a p e r ，t h et h e o r e t i c a l a n a l y s i si sd i s c u s s e da n dt h et h e o r e t i c a l m o d e l so fc o n v e c t i o np r o c e s si ns p i r a l l yg r o o v e dt u b ea n ds m o o t ht u b ea r eb u l r b ya p p l y i n ga n s y ss o f t w a r e ，t h i sp a p e rs t u d i e sc o n v e c t i o np r o c e s so fh e a t e x c h a n g e ri n w h i c ht h em e d i u mi sw a t e rb yt h r e e d i m e n s i o nn u m e r i c a l s i m u l a t i o n f i r s t l y , t h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n ，t h ef l u i df l o ws t a t ei nh e a te x c h a n g e r i nt h ec o u r s eo fh e a tt r a n s f e ra r ec a l c u l a t e db ym e a n so fm u l t i p l es p e c i e s t r a n s p o r tt e c h n i q u e ，a n dt h ea v e r a g ec o n v e c t i o nc o e f f i c i e n to fb o t hs i d e si s o b t a i n e d t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns t r u c t u r ea n dt h ea v e r a g ec o n v e c t i o n e o e 伍c i e n to fb o t hs i d e si ss u m m a r i z e d t h em e c h a n i s ma n df e a t u r eo f a u g m e n t a t i o nh e a tt r a n s f e ri sd e s c r i b e d c o m p a r e dw i t l las m o o t ht u b e h e a t e x c h a n g e r ，t h eh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c so fas i n g l e - s t a r ts p i r a l l yg r o o v e d t u b ei sh i g h e r s e c o n d l y ，r e s u l t so fn 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 a lr e s u l t sa r e c o m p a r e dt ov a l i d a t er e l i a b i l i t yo fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h e ya r ec o n s i d e r e da s b e t t e rb a s i sf o rf u r t h e rs t u d i e so nc o n v e c t i o np r o c e s so fs p i r a l l yg r o o v e dt u b e a n dc a no f f e ri m p o r t a n tt h e o r e t i cd a t e sf o rp r o d u c t i o n l a s t l y ，a p p l y i n gt h er u l e ，t h ep e r f o r m a n c eo f s o m et u b e sa r ee v a l u a t e d ，a n d t h er e a s o n a b l eo n t i m i z a t i o ns c h e m ei so b t a i n e d k e y w a r d ss p i r a l l yg r o o v e dt u b e ；s m o o t ht u b e ；h e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t ； a n s y s ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；c o r r u g a t i o nd e p t h ；f i np i t c h ； e v a l u a t e i l 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文螺旋槽管换热过程的三 维数值模拟，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学位期间独立进 行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他 人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和 集体，均己在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签字 氦哮日期：勾。i 年4 ，月知日 燕山大学硕士学位论文使用授权书 螺旋槽管换热过程的三维数值模拟系本人在燕山大学攻读硕士学 位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归燕山大学 所有，本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位及相关人员。本人完 全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关 部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权燕 山大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的 全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密醴 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 爨迭 哥咀肄 日期：幻石年年月知日 日期：椰年4 月；口日 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1引言 2 1 世纪，世界各国更加关注新能源的开发和节能途径的探索。在石油、 化学工业和动力工程中，为了最大限度地利用热能和回收余热，对换热设 备进行强化传热技术的研究越来越受到人们的关注。 换热器是一种能使冷热两种流体在其中进行热量交换的装置，就其工 作过程而言，可分为表面式、蓄热式、混合式三种。在表面式换热器中， 冷热两种流体进入换热器后被壁面隔开，互不接触。热量由热流体通过壁 面传递给冷流体。这种型式的换热器应用最广，它又可分为管壳式、套管 式、螺旋板式等【i 】。 管壳式换热器具有结构坚固、适应性强、选材广、易于制造及成本低 等优点，因而得到广泛应用。为了提高和强化其传热效率，近年来各国除 了对管壳式换热器的设计方法作改进外1 2 圳，对高效强化传热管的研究一直 是该类换热器传热领域最活跃和最有生命力的重要研究课题。 螺旋槽管( 亦称螺纹管) 是其中的一个重要分支，它是一种优良的高效 异形强化传热管件。与其它异形管相比，这种管制造工艺较简单，加工方 便，成本低廉；与体积、消耗泵功率相同的光管式换热器相比，螺旋槽管 换热器可以将总传热系数提高3 5 4 0 ，且其抗污垢性能又高于光滑管， 易清洗，因而广泛用于动力、海水淡化、船舶、炼油、石油、化工等换热 设备上。 1 2 强化传热技术 强化传热技术是指能显著改善传热性能的节能新技术，其主要内容是 采用强化传热元件，改进换热器结构，减小设计传热面积，以减小换热器 的体积和质量；提高现有换热器的换热能力；使换热器能在较低温差下工 作；减小换热器的阻力，以减少换热器的动力消耗，从而使设备投资和运 燕山大学工学硕士学位论文 行费用最低p j 。 热量的传递一般是通过导热、对流、辐射三种方式来实现的，强化传 热也应从这三个过程的强化来进行。由于对流换热普遍存在于各种热设备 中，且其热阻又往往构成传热总热阻的主要部分，因此在各种强化传热技 术中涉及最广并且研究最多的是对流换热的强化。提高传热性能的技术 般分为主动强化( 有源强化) 技术和被动强化( 无源强化) 技术两类，由于主动 强化传热技术受到外加能量等因素限制，无源强化传热技术则无需应用外 部能量，因而工程中主要采用被动强化传热技术。 当高温流体和低温流体在某一传热面两侧流动时，使单位时间内两流 体间交换的热量9 增大，从传热速率方程式q = k f a t 。可知，增加单位体 积内的传热面积f 、加大平均传热温差f 。和总的传热系数k 均可提高传 热速率。在换热器的研究、设计、使用操作中，大多均从这三要素来强化 传热过程。 1 2 1 采用高效能传热面积 为了扩大传热面积，同时提高换热器的紧凑性，其主要措施有： ( 1 ) 合理布置受热面采用合适的管间距或排列方式( 叉排) ，不仅可加 大单位空间所能布置的传热面积，还可以改善流动特性；采用合适的导流 结构，管外改横向冲刷为纵向冲刷，并最大限度地消除管壳式换热器挡板 处的传热不活跃区。 ( 2 ) 扩大热传递面表面采用高、低翅片管、螺旋槽管等，或直接将管 子表面用轧制、打扁或爆炸成型等方法制成凹凸形、波纹形、椭圆形及扁 平状等，这类传热面共同特点是加大传热面积和促进湍流，因而传热效率 很高，但要注意流体阻力也迅速增加。 ( 3 ) 采用紧凑式换热器与管壳式换热器相比，因单位体积的增大波纹 平板式、螺旋板式、板壳式及板翅式等换热器的传热系数可增加数倍以上， 很有发展前途。但制造工艺、运行检修及力学性能方面也存在不利的因素。 ( 4 ) 改善原有热传递表面对于有相变换热的增强往往具有特殊意义。 滴状冷凝比膜状冷凝传热系数高，表面张力大的流体更是这样，所以一般 第1 章绪论 必须对冷凝壁面进行处理，以造成一个不为凝结液体湿润的冷凝壁面，经 常采用的方法有三种：化学覆盖层法、聚合物涂层法和电镀法，这方面美、 日、法三国研究最多。日本川崎公司钝化换热管时，在溴化锂溶液中加入 辛醇，使辛醇在换热管表面形成一层薄液膜，水蒸气在膜上呈滴状凝结， 试验结果证明，蒸汽冷凝传热系数提高2 0 ，但处理表面随着使用时间的 延长，效率会逐渐降低。另外一种就是在换热管内涂上多孔金属覆盖层， 使管内形成砂粒型粗糙表面。在沸腾换热时，改变表面的汽化核心数目， 从而提高沸腾换热系数，但粗糙壁面受结垢影响故对工质要求较严。 1 2 2 增加平均传热温差的措施 增加平均传热温差的方法有两种： ( 1 ) 尽量采用近于逆流的传热方式在冷流体和热流体的进口和出口 温度一定时，利用不同的换热面布置来改变平均传热温差。当冷、热流体 作逆向流动时，平均传热温差最大；同向流动，平均传热温差最小。 ( 2 ) 扩大冷、热流体进出口温度的差别在实际工程中，冷、热流体的 种类及温度常受生产要求及经济性等的限制，不能随意变动。例如在化学 工业中，物料的温度一般由生产工艺确定，不能随意改动。用以加热或冷 却物料的工质温度，可以根据所选工质的不同而不同。但是，加热或冷却 工质本身的选择就不是任意的，必须作技术经济比较来确定。此外，加热 工质温度的选择，还受到被加热物料性质的限制，也不可能选得过高。在 核能工程的反应堆冷却系统以及其它工程一些设备中，有时换热器中的平 均传热温差是给定的，这样也就不能再靠增大传热温差来强化传热了。因 此，通过加大平均传热温差以强化传热的效果是有限的。 1 2 3 提高总传热系数 提高总传热系数是当今传热强化研究的重点。平均面传热的计算公式 为： 1 k = 1 口1 + 五l + 兄+ r 2 + 1 d 2 ( 1 _ 1 ) 式中 、口：传热面两侧的对流传热系数 燕山大学工学硕士学位论文 r 、r ，两侧污垢热阻 1 肛一传热总热阻 一管材壁厚 ( 1 ) 减少对流传热的热阻即提高两侧的对流传热系数口。、1 2 ，具体 改变口、或口，方法如下：对于冷凝过程来说，其最大热阻是液膜热阻，强化 冷凝即最大限度地减少液膜热阻。螺旋槽管是强化冷凝很有效且应用十分 广泛的一种强化管。 ( 2 ) 减少污垢热阻狭义的强化传热系指提高流体和传热面之间的传 热系数，就是假设换热器是洁净的，不考虑两侧污垢热阻。提高传热系数 的强化传热技术可分有源强化传热技术和无源强化传热技术两类。有源强 化对自然对流和层流有较好的强化效果。实施无源强化传热，归结起来有 两条途径，即改变传热面的形状和在传热面上或传热流路径内设置各种形 状的湍流增进器或插入物【6 】。改变传热面形状的方法有很多，其中用于无 相变强化传热的有：横槽管、螺旋槽管( s 管) 和缩放管。用于有相变强化传 热的强化沸腾传热管有：烧结多孔表面管、机械加工的多孔表面管、电腐 蚀加工的多孔表面管、t 型翅片管、e c r 4 0 管和t u b e b 型管。用于强化 冷凝传热的传热管有：纵槽管、低螺纹翅片管、锯齿形翅片管( s t 管1 和径 向辐射肋管式翅片管( r 管) 等。内翅片管与横槽管和螺旋槽管一样，不但 可用于单相对流传热，也可有效地用于强化管内流动沸腾传热【”。而横槽 管和螺旋槽管不但能强化管内传热，同时还能强化管外传热。 目前，比较有效并有发展前景的强化传热技术主要有：处理表面法、 粗糙表面法、扩展表面法、流体旋转法及静电场法等 8 - 9 1 。 1 3 螺旋槽管的生产方式 螺旋槽管的生产方式目前主要有： ( 1 ) 轧制方法即将用于生产焊管的带钢在其表面上用轧制的方法加 工出斜沟槽，然后带钢经过成型机生产出带内螺纹的焊管 1 0 - 1 i 】。这种方法 在轧槽时由于受力的非对称性使生产薄壁管的成型稳定性较差，尤其是生 产小直径薄壁管时更为突出。 4 第1 章绪论 f 2 ) 拉拔方法即采用无缝管或焊管做坯料，使用螺旋芯头经拉拔成 型。这是目前我国生产螺旋槽管较普遍采用的成型方法。这种成型方法生 产效率低r 对于较大直径管材只能是非连续生产) ，拉拔芯棒沟槽曲线形状 设计不合理或加工不理想，将使生产出的螺旋槽管的凸筋形状畸变【l 。 ( 3 、滚压方法就是利用带滚轮的滚压工具，以一定的压力在待加工管 材表面作相对滚动，使金属表面产生塑性变形，加工出圆弧形、锥形凹槽 以及其它形状的外表面。滚压加工方法其中一种称为新卡盘装置，它是由 圆形卡盘胎组成，在卡盘胎上均匀地布置三个或三个以上的盘爪，在每个 盘爪用小轴固定一个滚轮，其尺寸由加工螺纹型线的要求而定。还有一种 滚压加工螺旋槽管的方法，就是采用三轧辊在专用机床上加工i l ”。 1 4 螺旋槽管的轴向剖面 目前，国内外用滚压加工生产出的螺旋槽管其螺旋凹槽剖面有圆弧形、 锥形凹槽等，研究者均将某种螺旋剖面的螺旋槽管与同规格的光滑管进行 换热性能的相互比较。其主要结构参数有内径d ，螺距p ，槽深e ，壁厚t ， 螺旋升角卢和头数，可分为单头和多头。螺旋槽管结构见图1 1 。 图1 - 1 螺旋槽管结构图 f i g 1 1 a x i a ls e c t i o n o fs p i r a l l y g r o o v e d m b e 1 5 螺旋槽管换热器的研究现状和发展趋势 1 5 1 研究现状 目前，换热器的研究主要在于传热的强化、污垢问题、动态特性研究、 燕山人学工学硕十学位论文 控制及仿真等。实验研究是传热学研究中的主要方法之一。对于对流传热， 通过实验求解对流传热问题的特征数关联式是获得特征数关联式最重要、 最可靠的手段，但是都是针对某一具体结构换热器的试验数据，没有综合 整理不同结构和不同性质工作流体的试验数据，故得到的关联式局限性很 大。近2 0 年来，随着计算机技术及相应算法技术的发展，数值计算解法受 到越来越广泛的应用和重视。其主要思想是：建立二维或三维的传热模型， 在一定的假设前提条件下，施加相应的边界条件，通过运用数学计算的各 种解法，求解得到待求的参数。因此，越来越多的分析软件也随之产生。 换热器的性能不仅在于传热元件的性能，而且在很大程度上受到内部 结构的影响，这种影响归根结底取决于温度场的分布情况，而温度场的分 布与速度场的分布必然存在一定的联系。例如：同一根管子，当管内流体 和管外流体换热时，即使所有的换热初始参数都相同，顺流和逆流的换热 效果也大相径庭，而对于叉流的换热效果又有很大不同。清华大学过增元 教授提出的场协同理论认为换热器的效率是由冷、热流体温差场的均匀性 决定的，并得出了传热效果与温度场和速度场之间的协同关联式。 螺旋槽管是管壳式换热器中最常用的一种传热元件。近些年来，许多 学者在无相变对流换热和有相变凝结换热方面对螺旋槽管强化传热进行了 广泛研究。 1 5 1 1 关于螺旋槽管换热的实验研究由于结构参数不同、换热工质不 同，螺旋槽管换热器的换热性能是变化的，因此许多研究学者根据实际生 产情况，采用实验的研究方法，并根据实验结果整理出一些不同的关联式。 一方面，大量的研究是针对于无相变的换热过程的。1 9 6 6 年，美国橡 树岭国立实验室的l a w s o n 发表了第一篇有关螺旋型表面强化管的研究报 告，引起了世界各国的高度重视与广泛研究 1 4 1 。日本学者吉富英明对单头 螺纹管进行了大量的实验研究，在等热流的情况下，以水为管内介质进行 实验，得到了一些关联式i l ”。r a v i g u r u r a j r i l e 等人研究了3 5 份实验报告， 收集了3 6 0 组螺旋型表面强化管的数据并加以整理和分类，编制了螺旋型 表面强化管的数据库软件，供研究者和换热器设计人员参考使用。前苏联 学者也对螺旋槽管进行了大量研究。不少研究者认为，螺旋槽管的换热工 6 第1 章绪论 况不仅取决于其几何参数，而且与流动工况有关，对于空气和水两种介质， 其换热规律可能不同。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，其传热性能比光管提高2 4 倍f 1 “。德国h d e 公司的 螺旋槽管，管内传热效率明显地优于光管，当2 3 0 0 r e 1 0 5 时，提高传热 效率2 。3 1 1 1 倍，当2 0 0 r e 1 5 0 0 时，提高传热效率2 o 以2 倍1 1 7 】。 国内学者的研究方向主要集中在单头螺旋型表面强化管上，并取得了 一定成果。重庆大学在2 0 世纪7 0 年代末就开始螺旋槽管的实验研究及理 论推导，得出了单头螺旋槽管的半经验公式，并将其运用到w n s 4 8 ，9 天 然气锅炉上，不仅提高了管内传热系数，而且使钢材消耗量减少为原来的 一半【l 。通过实验研究，认为参数为p + = o 5 0 7 5 0 + 刮西、e + 0 0 5 4 ( e * = e d ) 的螺旋槽管的传热效果较好。华南理工大学对螺旋槽管内流体的流态、强 化传热机理及管参数优化方法等进行了全面而深入的研究【1 9 1 。利用氢气泡 示踪法进行螺旋槽管内流态的可视化试验，并利用蒸汽加热管内空气研究 螺旋槽管传热和流动特性，对其影响因素进行分析，给出了单头螺旋槽管 最佳参数范围，即p + = 0 0 3 0 0 4 ，芦+ = 0 4 0 。5 。根据研究结果设计的上海溶 剂厂甲醛余热锅炉的总传热系数较原来提高了6 0 ；用于压缩机排气冷 却，使传热强化了3 倍；用于常减压原油渣油换热器，传热系数提高了 1 2 1 5 倍。该校用2 0 多种不同规格的螺旋槽管进行试验比较，发现单头 螺旋槽管比多头螺旋槽管的性能好 2 0 l 。1 9 9 3 年，北京理工大学与铁道部大 连机车车辆厂合作，将三头螺旋槽管应用于国家重点项目重载牵引车东风 1 0 的机油热交换器上，使原换热器体积缩小，质量减轻3 2 以上。近几 年，该校在螺旋槽管的基础上研制成功一种新型的异形螺旋槽管，其轴向 剖面呈半流线的勺形或“w ”形等多种形面，开辟了一个新的研究方向一 螺旋凹槽型面对于强化传热的影响【2 ”。分别进行了水蒸汽、水油和蒸汽 油的大量试验，得到了传热和阻力的关联式。从1 9 9 4 年开始，该校对螺旋 槽管管道内的紊流流动和换热进行数值模拟研究，取得了可喜成果。 另一方面，螺旋槽管对管内沸腾及管内外冷凝传热均能起到显著的强 化作用。它具有的凹凸曲面使得凝结液在表面张力的作用下易于排泄。对 于其冷凝的传热强化机理，w i t h e r s 和n e w s o n 等均认为是螺旋槽使冷凝液 7 燕山大学工学硕士学位论文 膜产生附加的表面张力场，使平均冷凝液膜减薄，从而强化了传热。w i t h e r s 研究表明，当冷却水侧的阻力相同时，将螺旋槽管用于冷凝器比用光管节 省材料3 0 5 0 ，管外的凝结传热系数增大3 5 5 0 2 2 。日本学者茂 木岩夫等用水蒸气做单头螺旋槽管的水平管外凝结传热实验，发现效果最 佳的管子( 庐1 9m m ，p = 0 9m m ) 凝结传热系数可比光管的大2 3 倍。 东南大学主要进行了蒸汽凝结条件下的水平螺旋槽管的试验研究【2 3 1 ， 用冷态做阻力实验并进行了数据关联，得到了螺旋槽管的换热计算公式。 对不同材质( 铜、碳钢和不锈钢) 的水平螺旋槽管强化传热性能进行了比较， 并用不锈钢螺旋槽管加热器取代某电厂的原有光滑铜管低压加热器，可以 实现电厂锅炉无铜化，减少电化学腐蚀，并将其应用到电厂的汽轮机冷凝 器中。上海交通大学将e p = o 0 4 的螺旋槽管安装在某厂的蒸气凝结换热器 上，该换热器与光管凝结换热器相比较，传热系数增加8 4 1 ，冷却水温 度升高3 2 2o c ，总阻力损失增加8 4 6 2 ，且热力性能指标9 q 0 高达 1 2 4 5 【2 。这表明，螺旋槽管换热器比光管换热器具有更好的热经济性。 在螺旋槽管管内流动阻力方面，螺距和槽深是影响螺旋槽管流阻的主 要因素。不同螺距和槽深的螺旋槽管其对流体产生的影响有较大的差异。 在螺旋槽管的结垢问题方面，文献【2 5 介绍了美国田纳西流域管理局 对9 台螺旋槽管冷凝器河水结垢热阻方面的研究资料，认为螺旋槽管污垢 热阻速率约为光滑管的1 2 倍，运行一年后，螺旋槽管的污垢热阻没有超 过t e m a 标准允许的河水最小污垢热阻值。华南理工大学用常见的c a c 0 3 配置的饱和溶液及恒加热流率法，研究了螺旋槽管和光滑管在相同工况下 的抗污垢性能与管参数和操作条件的关系。由于螺旋槽管的特殊几何形状， 它的抗污垢性能好于光滑管。对于渣油及蜡油等粘性大、有腐蚀且易结垢 的场合，使用螺旋槽管较好。 1 5 1 2 关于螺旋槽管换热的数值研究数值模拟方法可预测换热器的整 体性能，并得到换热器内流体流动和传热的细观信息，从细观分析中可发 现存在的问题，并据此提出改进措施，通过再次模拟即可看出改进效果。 因此，数值模拟可部分代替实验，大大降低换热器实验研究费用，缩短研 究开发周期。 第1 章绪论 在单头螺旋槽管管内流动与换热的数值研究方面，夏雅君等人1 2 6 j 是国 内最早进行螺旋槽管数值计算分析研究的学者之一，他们对物理模型进行 了简化，忽略了分离流动换热和逆向压力梯度的影响，将三维的椭圆型流 动方程近似简化为三维抛物型流动方程。为处理复杂的表面几何形状，对 坐标进行了简单的变化，将圆柱坐标转化为斜交坐标。用s i m p l e 算法编 制了三维抛物型计算程序，对两根不同尺寸的螺旋槽纹管进行计算。此后， 张军【2 7 1 考虑了分离流对流动与换热的影响，同时在模型的处理中将螺旋槽 管简化为横肋管，将三维椭圆型流动简化为二维轴对称的椭圆型流动，也 采用了s i m p l e 算法编制的程序，并利用了充分发展的周期性流动与换热 的条件。随着分析软件的产生，喻晓峰【2 8 j 应用了流体计算软件f l u e n t 对单头螺旋槽管管内的换热进行了三维数值仿真，并结合实验数据验证了 模拟的可靠性。贾瑞宣 2 9 1 在应用f l u e n t 软件模拟螺旋槽管管内换热的基 础上，运用场协同理论分析了螺旋槽管的强化换热机理。 在多头螺旋槽管管内流动与换热的数值研究方面，k e l l o g g 公司和 l u m m u s 公司在新一代裂解炉上采用了流通截面为齿轮状的弧形内槽管， 该槽管分为直翅管和螺旋槽管两种结构形式。张政、张建文等对这两种管 内的流动和换热情况都进行了数值计算，在对螺旋槽纹管管内层流与紊流 两种流动状态分别进行计算时，都采用了坐标变换，将三维问题转化为计 算横截面内的二维问题，以八头螺旋槽纹管为研究对象。r e n s s e l a e r 理工 学院的l i u 等人利用多头螺旋槽纹管的对称性几何条件和边界条件对管内 紊流流动和换热情况进行了三维数值计算。王自宽运用f l u e n t 软件对凝 汽器三头螺旋槽管管内的换热特性进行了三维数值模拟，并应用到实际。 1 5 2 发展趋势 迄今为止，对螺旋槽管的强化传热研究从理论到实际已达到了较高的 水平，为了进一步扩大螺旋槽管在这些领域中的应用，今后的研究方向主 要体现在以下几个方面： ( 1 ) 理论方面进一步阐明螺旋槽管的强化传热机理，掌握螺旋槽管在 不同场合下传热的定量规律，使整理出的关联式具有较大的通用性，优化 9 燕山大学工学硕十学位论文 螺旋槽管的几何尺寸，由这些参数能够预测出传热性能的优劣，使之具有 良好的传热与流体动力学综合性能。 但) 研究方面第一，进一步扩大实验用工质范围，以研究工质物性对 流动和换热的影响；第二，系统的研究螺旋型表面强化管各几何参数( 槽深 e 、螺距p 、螺旋升角卢、头数m 对流动及换热的影响，以找到适用于不同 流动状态的最佳几何参数，并建立一套统一且公认的传热和阻力关联式； 第三，进一步研究螺旋型表面强化管内外的强化传热机理及摩阻机理，在 提高传热系数的同时，尽量抑制阻力系数的上升。 ( 3 ) 利用模拟和可视化技术进行研究换热过程和流体流动方式密切 相关，在生产实践中人们往往根据生产要求和实践经验确定流体在换热器 中的流动方式。考虑到流体介质、热负荷及设备规模等的差异，通常难以 比较哪种流动方式更有利于换热。加上强化管技术的应用，因流动状态及 通道几何形状的改变，使强化传热的机理更难以全面、系统的阐释清楚。 因此借助激光测速、全息摄影、红外摄相仪等“可视化技术”和 c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 数值模拟软件等，才有可能对换热器的 流场和温度场情况进行深入地了解，彻底弄清强化传热机理 3 0 。 ( 4 ) 采用新模型和新方法由于螺旋型表面强化管结构复杂，管内流体 的流动及换热情况也相当复杂。利用计算机进行螺旋槽管内流体传热和流 动的数值分析计算，虽然成本低、速度快、模拟能力强，但受到计算机和 计算方法两方面的限制，在进行工程计算时，则一般采用简化的紊流模型， 如混合长度模型和k - e 双方程模型等。因此计算结果与实验结果比，误差 偏大。首先，为了得到更为精确的紊流计算结果，有必要选用和建立精度 更高的紊流模型，例如代数应力模型( a s m ) 以及雷诺应力方程模型( d s m ) 。 其次，为了能更精确的模拟不同结构形状的螺旋型表面强化管，有必要采 用其它方法( 如有限元法) 来处理具有复杂几何边界的传热问题。 随着对螺旋槽管性能研究的深入，特别是对换热、流阻、强度、结垢 性能的研究结果，奠定了其在工业生产中的应用基础。在换热器中，采用 螺旋槽管来代替普通光滑管，既可节约金属管材和降低设备费用，又能显 著地提高热能利用效率。因此，螺旋槽管具有更为广阔的应用前景。 1 0 第1 章绪论 1 6 本文的主要研究内容和意义 本论文以普通光管和螺旋凹槽剖面为圆弧形的螺旋槽管为研究对象， 具体的研究步骤如下： ( 1 ) 对螺旋槽管换热器和光管换热器表面的对流换热问题进行理论分 析，建立有限元模型。运用a n s y s 有限元分析软件对两种管型换热器的 对流换热过程( 逆流) 进行三维数值模拟，得到换热管的平均对流换热系数。 同时，采用多组分传输的方法，能够同时模拟出内、外流体的温度场、速 度场，管壁的温度场，重点分析管材壁厚对换热系数的影响，螺旋槽管的 螺距p 、螺旋升角卢、槽深e 对流场和温度场以及换热效果、阻力的影响， 并对螺旋槽管和光管的数值模拟结果进行比较，进一步探讨螺旋槽管的强 化传热机理。 ( 2 ) 将螺旋槽管换热过程的数值模拟结果与已有的无相变换热性能实 验结果进行比较，验证了数值模拟的可靠性，从而对实践起到一定的指导 作用。 ( 3 ) 通过运用换热器的性能评价指标对螺旋槽管的换热性能进行评估， 力求找到适用于不同流动状态的最佳几何参数，并提出合理的优化方案， 为迸一步优化设计整体的逆流式换热器提供了理论依据。 ( 4 ) 本文所建立的有限元分析模型具有通用性，可适用于其它管型换热 器进行换热过程的数值模拟。 以往关于螺旋槽管换热性能的数值研究，大部分是建立在实验的基础 上，而且数值分析的方式多是采用有限差分法或有限容积法，有限元法的 应用较少。在建立数学模型时。为了简化，常采用二维的模型进行分析， 这就忽略了螺旋槽管换热器内流体的周向速度，不能完全分析出换热器内 流体的速度随螺旋结构的变化情况。在处理边界条件时，大多是采用恒温 或温度线性分布的外壁边界条件，很少能把管外换热与管内换热结合起来。 本文运用有限元分析软件，建立三维有限元模型。同时考虑换热器两 侧的流场和换热状况，丰富了对螺旋槽管的换热研究，为进一步认识此类 换热器的强化换热机理和优化设计管型奠定了一定的理论基础。 燕山大学工学硕士学位论文 第2 章传热及数值模拟的基本理论 2 1引言 描述换热设备传热传质过程的动态模型常常是复杂的微分方程，除了 某些简单的或简化情形外，很难获得精确解或解析解。近年来，计算机及 计算技术的发展为该研究提供了广阔的天地，引起了人们的极大关注。从 二十世纪六十年代末期以来，传热问题数值解法很快成为一种解决实际问 题的工具。 数值传热学( n u m e r i c a l h e a tt r a n s f e r ，n h t ) 又称计算传热学 ( c o m p u t a t i o n a lh e a t t r a n s f e r ，c h t ) ，是指对描写流动与传热问题的控制方 程采用数值方法通过计算机求解的一门传热学与数值方法相结合的交叉学 科。目前主要的数值方法有：有限差分法( f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ，f d m ) 、 有限单元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，f e m ) 、有限分析法( f i n i t ea n a l y z e m e t h o d ，f a m ) 、有限容积法( f i n k ev o l u m em e t h o d ，f v m ) 和边界元法 ( b o u n d a r ye l e m e n tm e t h o d ，b e m ) 。有限差分法是历史上最早采用的数值 方法，对简单几何形状中的流动与换热问题是一种最容易实施的数值方法； 有限单元法最初应用于固体力学领域，适合求解复杂边界问题；有限容积 法具有物理意义明确，在计算传热学领域应用非常广泛；基于积分方程的 边界元法是一种新的计算方法，广泛应用于大区域流体流动计算【3 ”。 2 2 有限单元法 有限单元法，又叫有限元法，对于完成复杂结构的分析十分有效，它 将问题的求解区域划分为一系列小的单元，各个单元之间仅靠节点连接。 单元内部各点的代求量可由单元节点通过选定的函数关系插值求得。 有限元法具有以下优点： ( 1 ) 利用离散化把具有无限自由度的连续热力学问题离散成有限单元 节点参数的计算，使问题得到简化，而且计算精度高，能满足工程设计和 第2 章传热及数值模拟的基本理论 生产的需要。 ( 2 ) 引入边界条件的方法简单，内部和边界单元都采用相同的场变量函 数，而且当边界条件改变时，场变量函数不需要改变，这为编制通用化程 序带来了很大的简便。 ( 3 ) 有限元法不仅适用于复杂的几何形状和边界条件，而且能处理各种 复杂的材料性质问题，应用范围十分广泛。 ( 4 1 有限元法通常采用矩阵表达式，便于编制计算机程序，从而适用于 计算机的运算工作。 目前，由于有限元法的通用性，已被广泛应用于固体力学、流体力学、 传热学等领域及各个工程部门。 2 3 流动与传热控制方程 设在三维直角坐标系中有一对流换热过程，流体的速度矢量u 在三个 坐标方向上的分量分别为“、v 、w ，压力为p ，流体的密度为p 。换热器 内流体流动和传热的数学模型由质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒 定律所确定3 ”。 2 3 1 质量守恒方程 质量守恒方程又称为连续性方程，对图2 1 中固定在空间位置的微元 体，质量守恒定律可表述为：单位时间内微元体中流体质量的增加等于同 一时间间隔内流入该微元体的净质量。 j j _ 。 图2 - 1三维直角坐标系及微元体 f i g 2 - l t h e3 dr e c t a n g u l a rc o o r d i n a t es y s t e ma n dt h em i c r o e l e m e n t 望+ 旦逊+ 旦盟+ 旦：0( 2 1 ) 西舐a v 祟+ d i v ( ) = o( 2 2 ) 对于不可压缩流体，其流体密度为常数，即华= o ，则连续性方程简 麓羔鬻：篙一瓣即均势陋。曲 昙即 罢+ 参) + 鲁 叩( 老+ 罢 + p f x 。4 砷 挚_ ：鬻j 菱岽+ 珈即豺陋。b ， 永謇+ 卦永詈+ 卦孵 珥 笪! 兰竺垫丝墼堡篓垫竺董奎堡篁 ： = = = = = = = ；= = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = ；l _ _ _ 目= = = = ；一 r 3 ) w 向动量方程： 化，以“向动量方程为例： 害+ 鲁( 1 ：i d i v u + 2 刁笔j + ，：。、 a z 出l。a z ，、 号后的分子粘性作用项做如下变 ( 2 5 ) 掣+ d i v ( 卟州德n 诚一罢 ( 2 - 6 a ) d f “ 掣+ d i v ( 棚：d i v ( 卿d v m ，一詈 ( 2 - 6 b ) 砚u y 掣砌v ( 卟蜊坪g r a d w ) 城一老 ( 2 - 6 c ) 优 “ 其中s 。、s 。、s 。为3 个动量方程的广义源项，其表达式可对照式( 2 5 ) 得出如下公式： 瓯= 昙( 玎老) + 专( 叩罢 + 鲁( 叩豢 + 昙以m v u ) c ：嘞， 耻芸( 叩考) + 孙爿+ 孙钟参沁v u ， ， & = 昙( 叩罢) + 参( 叩謇) + 鲁( 叩警 + 鲁以m v u ) c z - ，。 对于粘性为常数的不可压缩流体，s 。= s 。；s 。= 0 ，于是式( 2 6 ) 简化 成为： 肌一如(砉一砂 ”竿岩啪 + a 一良 廿 叻一文滁迎薪黼一讹管制孵哮争雠 一，j数学默檄 型警嘧 r11 鱼渖嵌 憾 叩、，i， 妻孙静。短 卜 玎 s f rj，j“、h 贤 一剖去训徽 眺斟如一 叩，ji出 外嘣伽雌针唧 叩，li i 伽氛豪圃n 卜卜捌m 卦割燧，ll，lll，o一跏8一t毽a一如眦 燕山人学上学硕士学位论文 罢+ d i v ( “u ) ：d i v ( o g r a d 甜) 一上罢 ( 2 8 a ) i a v + d i v ( v u ) ：d i v ( v g r a d v ) 一三罢( 2 - 8 b ) 譬+ d i v ( w u ) ；d i v ( o g r a d w ) 一土害( 2 - 8 c ) 式中d 流体的运动粘度 式( 2 6 ) - 式( 2 _ 8 ) 称为n a v i e r - s t o k e s 方程。 2 3 3 能量守恒方程 对图2 - 1 所示的微元体应用能量守恒定律可以表述为：微元体内热力 学能的增加率等于进入微元体的净热流量与体积力和表面力对微元体所做 的功之和。 再引入导热f o u r i e r 定律，可得出用流体比焓h 及温度丁表示的能量 方程： 型+ 旦幽+ a ( p v h 燮+ 垫尘：一p d i v u + d i v 阮聃d r ) + 瓯( 2 - 9 ) 0t0 x却0z 1、。7” 其中旯是流体的导热系数，s 。是流体的内热源，西为由于粘性作用机 械能转换为热能的部分，称为耗散函数。 耗散函数的计算式如下1 3 3 l ： 。= 刁 z ( 罢) 2 + ( 考 2 + ( 罢 2 + ( ；+ 罢 2 + ( ；+ 罢 2 + ( 笔+ 茅 2 + 2 d i v u ( 2 - 1 0 ) 式( 2 9 ) 中p d i v u 为表面力对流体微元体所做的功，般可以忽略。 同时对理想气体，液体及固体可以取h = c p t ，迸一步取c 。为常数，并 把耗散函数m 纳入到源项s ，中( s ，= s a + m ) ，于是可得： 掣砌v(put)ot 划v 毒g m d 丁卜 p 【c 。j 1 6 第2 章传热及数值模拟的基本理论 对不可压缩流体有： 鲁+ d i v 旧) 一a i v 去删r j + 軎 c z 一切 式( 2 2 ) 、式( 2 4 a ) 、式( 2 4 b ) 、式( 2 - 4 c ) 及式( 2 1 1 ) 包含六个未知量：“、 v 、w 、p 、t 、p ，所以还需要补充一个联系p 、p 的状态方程才能联立 求解得出六个未知量的值。一般令 p = y ( p ，t ) ( 2 - 1 3 ) 对理想气体可有 p = p r t ( 2 1 4 ) 式中r 摩尔气体常数 2 3 4 控制方程的通用形式 在流动与传热问题求解中所需求解主要变量( 速度及温度等) 的控制方 程都可以表示成以下通用形式【3 4 】： 亟掣+ d i v ( p r o ) ：d i v h g r a d ) + ( 2 - 1 5 ) 其中为通用变量，可以代表“，v ，w ，t 等