低流速时波浪管内流动与传热特性数值分析.docx

1、2011年12月NuclearPowerEngineeringDec.2011文章编号：0258-0926(2011)06-0051-05低流速时波浪管内流动与传热特性数值分析朱升，孙中宁，范广铭（哈尔滨工程大学核科学与技术学院，哈尔滨，150001）摘要：利用Fluent软件，对低流速（0.0033m/s<i/<0.05m/s）情况下3种不同结构（曲率半径为32mm,弯曲角度分别为45。、60。和75。）的波浪管内流动和传热特性进行数值研究。研究表明，弯曲角度对波浪管的流动和传热特性具有很大影响；在相同雷诺数（屋）时，波浪管的努塞尔数（他）和摩擦阻力系数（/）均有增加，振幅（A）

2、越大，/增加也越大，振幅波长比（n）对N的增大起着决定性作用；在20<e<300范围内，波浪管的Nu最大可增加166.3%,同时/增长幅度为52.6%o关键词：波浪管；流动；传热特性；数值研究中图分类号：TL33文献标志码：A1前言通过提高换热元件的综合换热性能以达到减小换热器重量、体积和提高换热效率的目的，是强化换热领域的重要研究内容。迄今为止，人们已经开发研制了多种结构形式的强化换热元件，但由于受到加工工艺的限制，这些换热元件多数不适合于高温高压换热器。波浪管加工工艺简单，不会对传热管表面产生破坏，且具有热应力自补偿能力，是一种很有发展潜力的高效换热元件。文献1,2采用数值计算

3、的方法分别对2种结构形式波浪管的换热及流动特性进行了研究，结果显示波浪结构能够较大幅度地提高换热系数，同时引起的摩擦阻力系数增加幅度较小，Yang和PinChiang对正弦波浪管进行的实验研究也证实了上述结果。目前，对波浪管强化换热机理研究较少，缺乏对波浪管内温度梯度及速度梯度的分布特性的研究。本文利用数值方法对低流速情况下小弧度圆弧结构波浪管内的流动及传热特性进行研究，并对管内温度梯度及速度梯度分布特性进行分析，探索各结构参数对波浪管传热及流动特性的影响。2基本模型及方法2.1物理模型本文研究的3种不同波浪管的结构参数见表1波浪管结构参数TableIStructureParametersof

4、Micro-WavyTubest_曲半径；e弯曲角度；J管道直径；l单元波长，mm;A幅；"无世纲参数振幅波长比，p=A/L表lo每一种波浪管分别由若干结构参数一样的单元组成，波浪管单元的几何结构如图1所示。2.2计算模型利用Pro-engineer绘图软件建立各波浪管的三维模型作为计算模型。通过多次试计算发现，流体在流过第一个单元后已处于充分发展阶段。因此，在研究中建立了由3个波浪单元组成的计算模型，并对中间单元的流动与传热特性进行分析。在评价各波浪管的综合传热性能时，以努塞尔数（血）及摩擦阻力系数（/）为指标：Nu=（1）收稿日期：2010-07-09;修回日期：2011-03-

5、17A2JAplu2p(2)式中，力为换热系数，W/(m2X);询为沿程压降,Pa；九为水的导热系数，W/(mK)；Q为水的密度，kg/m3；I为流程长度，m；u为管内流速，m/So2.3网格划分与边界条件2.3.1网格划分利用Gambit软件对模型进行网格划分，采用四边形及六面体结构化网格以提高计算精度。在层流情况下贴近管的壁面会形成一定厚度的边界层，因此，划分网格时在壁面处建立厚度为0.02mm的第一层边界层网格,并以1.1mm的网格厚度增长比例沿径向依次向内划分5层边界层。网格划分情况如图2所示。图2计算模型截面网格划分Fig.2MeshonCrossSectionofCalculate

6、dModel6mm的直管模型，设定与所要研究的波浪管一致的边界条件，以沿程摩擦阻力系数为参照因素，将模拟结果与经验公式计算结果进行对比。在20<Re<300(O.OO33m/s<w<O.O5m/s)的范围内数值计算结果与经验公式计算值吻合得很好，二者最大偏差在1.5%以内，说明建立的计算模型及计算方法是可信的。3数值分析与结果本文采用Fluent软件进行数值分析。Fluent是计算流体流动和传热的常用软件，能够提供强大的网格生成程序，对相对复杂的几何结构的计算具有较高的适应性。在经过大量的实际应用之后，其在流动和传热方面计算的准确性和成熟性已得到验证。由于在Re<

7、20的范围内直管及各波浪管内流体流动速度很小，各管的换热性能、管内流动特性及管内流体的速度与温度梯度分布没有明显的差别；另外，鉴于本文研究内容为低流速情况时波浪管的换热及流动特性，因此选择的计算范围为2切芯300。在计算范围内，波浪管的流动摩擦阻力系数/均高于直管，且随着Re的增加呈现不断增大的趋势(图3),3根波浪管的摩擦阻力系数始终保持3#>2#>1#的顺序，与波浪管振幅2.3.2边界条件边界条件为：计算模型入口的大小顺序一致，而与"无关,说明在20</?e<300设为速度入口边界条件；出口设为压力出口边范围内波浪管振幅的大小是影响摩擦阻力系数界条件；流体

8、为单相水，参数为等效温度下的1=1III的主要因素。在&e=300时，与直管相比，2常量，不随温度变化改变；壁面设定为恒温边界条件佝，壁温设定为60乞；管道入口设置为速度边界条件，入口水温为20勾。计算模型沿x轴方向水平放置，考虑在y轴方向存在重力加速度的影响。2.4数值计算方法在对模型进行计算时，数值方法选择基于压力的求解器，采用非耦合隐式算法，该算法不对Navier-stoke方程联立求解，而是对压力方程进行压力修正，是一种很成熟的算法，在应用上经过了广泛的验证，尤其适用于低速的计算流体力学模拟；计算控制方式采用基于SIMPLE算法的速度压力耦合方式，对压力、动量和能量项都采用二阶

9、迎风格式进行离散化。2.5数值计算方法验证为了验证计算方法的准确性，建立直径为3#波浪管的摩擦阻力系数分别增大了35.2%、45.9%和51.8%。图3波浪管的摩擦阻力特性对比Fig.3ContrastofFrictionalResistanceCharacteristicsofWavyTubes由图4可以看出，在20</?e<300范围内，波浪管的他均大于直管，且随Re的增加，变化趋势与摩擦阻力系数的变化趋势相似，但增长速率图4波浪管强化换热性能对比Fig.4ComparisonofHeatChangeEnhancementofWavyTubes图4波浪管强化换热性能对比Fig.

10、4ComparisonofHeatChangeEnhancementofWavyTubes大于摩擦阻力系数的增长速率。在Re为300时,与直管相比，1#、2#、3#波浪管的Nu分别增加了153.8%、166.3%和164.8%。由此可见，在相同Re时，波浪管结构对换热的强化作用高于对摩擦阻力的增大作用。在20<7?e<150的范围内，3根波浪管换热性能之间的关系为3#>2#>1#,与摩擦阻力系数之间的关系一致，表明在此Re范围内，振幅是影响波浪管流动特性和传热特性的决定性因素；在150</?e<300范围内，2#波浪管的微波浪结构对换热的强化作用最为明显,其

11、Nu大于其他2根波浪管，且与1#相比，23#之间更为接近，表明在此范围内，是影响波浪管换热性能的主要因素。综合波浪管内的流动特性及换热特性可以看出，与直管相比，在20</?e<300范围内波浪管能够大幅度地提高换热系数，相应引起的沿程阻力损失增加量相对要小很多。从图5可以看出，在屁为150时，直管和1#波浪管内流动均处于充分发展状态，2#、3#波浪管内的流动也均处于充分发展状态。与直管内流动不同的是：在波浪管中，轴向速度的分布随着流道轮廓的波动出现周期性的变化，沿管道径向的速度梯度也会出现周期性的增大和减小。由于波浪形流道的限制，流体在流动过程中会产生径向的分速度，即产生垂直于主流

12、方向的二次流，并导致速度沿流道径向分布不均匀。径向分速度产生的动力来自上游的流动压力，这部分能量在流动过程中会因为粘性作用而耗散，转换为内能散布于流体中。因此，流体在波浪管内的沿程阻力损失除了摩擦损失外，还包括转换为径向分速度并最终以内能形式耗散于流体内的压力损失，这一点也是波浪管的摩擦阻力系数比直管速度/m.s】4.48x10-23.73X10-2OQQv1n-2.J、/才<J'-2.24x10-21.49x10-2y7.46x10-2'I0z速度/m.s-15.01x10-2451x10-24.01x10-23.51X10-23.01x10-22.50x10-22.0

13、0x10-21.50x10-21.00x10-25.01x10-30ZXa直管ZXa直管图5Re=150时，管内流体流动速度梯度沿轴向分布图Fig.5SpeedContoursalongAxialDirectionWhenRe=150大的原因。图6给出了各管内液体流动速度沿管道截面径向的速度梯度分布情况。与直管相比，波浪管内流体流动的速度梯度呈现不均匀分布，弯道的内侧速度梯度明显大于弯道外侧，并且在相同Re时，随着弯曲弧度的增加，弯道内侧与外侧之间的速度梯度差别也逐渐增大。在同一波浪管中，随着Re的增大，沿流道截面周向速度梯度增大的区域也会增大，同时伴有垂直于主流流动方向的二次流产生。径向速度

14、梯度的不均匀分布，波浪管内流动方向的周期性变化，以及二次流的产生，均对流动边界层起到扰动作用，进而起到强化对流换热的效果。图7给出了各管中流体沿流道截面径向的温度分布。与速度分布情况相似，速度梯度较大的管壁处温度梯度也比较大，同时随着Re和弯曲弧度的增大，温度梯度也不断增大。与直管相比较，波浪管流道截面处等温线发生了弯曲，并且随着Re的进一步增大，最终使管内的等温线呈现出以流动方向和重力方向所在面为对称面的对称分布。这样可以增加等温线长度，也就是在整个流程中增大了处于不同温度的流体间的接触面积，进而对换热起到强化作用。总之，与直管相比，波浪管内流体沿流道截面周向的速度梯度及温度梯度都有明显的增

15、大，温度梯度的增大使得温度边界层厚度减小，进而速度：m/s4.98x10-24.48x10-23.98x10-23.48xl022.99x10-22.49xl0-21.99x10-21.49x10-2I9.95X10-34.96x10-30速度：m/s5.01x10-24.51x10-24.0】xl0-23.5»10-23.01x022.50x10-22.00x10-21.50x10-21.00x1o25.01x10-30a直管速度：m/s4.95x10-24.45x10-23.96xl0-23.46X10-22.97x10-22.47x10-21.98x10-21.48xl0-29

16、.89x10-34.95X10-30速度：m/s4.95x10-24.45x10-23.96xl0-23.46X10-22.97x10-22.47x10-21.98x10-21.48xl0-29.89x10-34.95X10-30I9.70X10-34.85x10-30速度：m/s4.85x10-24.36x10-23.88xl0-23.39x10-22.91x10-22.42x10-21.94x10-21.45x10-2d3#波浪管c2,波浪管图6Re=150时，出口截面处流体流动速度沿径向分布图Fig.6SpeedContoursalongDiameterDirectiononOutlet

17、CrossSectionWhenRe=l50温度/K3.29x1023.23xi(p3.17X1023.11x1023.05X1023.99x1022.93x13温度/K331x1023.27xl(F3.23x1022.99x1伊2.95x1023.19X1023.03x1。展3.15x102:!3.llxl伊3.07x102温度/K3.33x1023.29X1O23.25xl(H3.21X1023.17X102遇3.13x1*盘3.O9X1O23.05xl(H3.01x1022.97x1022.93X102温度/K3.33x1。3.29x1023.25x1俨3.21X1023.17XKF3.

18、13x03.09x1023.05x03.01xl(F2.97xl(F2.93x1伊d3波浪管c2波浪管图7Re=150时，出口截面处流体温度梯度沿径向分布图Fig.7TemperatureContoursalongDiameterDirectiononOutletCrossSectionWhenRe=150降低管壁与流体之间的传热热阻；同时，二次流的出现促进了不同温度流体间的混合，强化了流体内部的传热。以上两方面的共同作用，提高了波浪管的换热性能。4结论(1)在20<e<300的范围内，与直管相比，波浪管内速度梯度和温度梯度均呈现不均匀分布，并且随着Re的增加，速度梯度和温度梯度分

19、布的不均匀程度愈加明显。(2)在20</?e<300范围内，振幅的大小是影响波浪管管内摩擦阻力系数的主要因素；对波浪管的换热性能而言，在20<e<300范围内，振幅的大小是主要影响因素，但是在150vReW300范围内，"的大小对换热性能的影响逐步显现。(3)在计算范围内，与相同管径的直管相比,在研究应范围内，1#、23#波浪管的摩擦阻力系数最大可分别增加35.9%、43.6%和52.6%,Nu相应最大可分别增大153.8%、166.3%和164.8%0参考文献：1 YangR,ChangSF,WuW.FlowandHeatTransferinCurvedPi

20、pewithPeriodicallyVaryingcurvatureJ.Int.ComHeatMassTransfer,2000,27(1):133-143.2 NathanR,Rosaguti,DavidF.etal.Low-ReynoldsNum，berHeatTransferEnhancementinSinusoidalChannelsJ,ChemicalEngineeringScience,2007,62:694-702.3 RuYang,FanPinChiang.AnExperimentalHeatTransferStudyforPeriodicallyVaryingCurvatur

21、eCurved-PipeJ.InternationalJournalofHeatandMassTransfer,2002,45:3199-3204.4 ShahRK,LondonAL,IrvineTF,etal.AdvancesinHeatTransfer,Supplement!,LaminarFlowForcedConvectioninDuctsM.AcademicPress,NewYork,1978.NumericalStudyonFlowandHeatTransferCharacteristicswithLow-ReynoldsNumberinMicro-WavyTubesZHUShen

22、g,SUNZhong-ning,FANGuan-ming(CollegeofNuclearScienceandTechnology,HarbinEngineeringUniversity,Harbin,150001,China)Abstract:Theflowandheattransfercharacteristicsofthreedifferentmicro-wavytubeswithdifferentconfigurationparameters(thecurveradiusis32mm,andthecurveanglesare45°,60°and75°,respectively)inlow-velocity(0.0033m/sWW0.05m/s)flowareconsid