水-油换热器管道流动优化数值模拟

1、题 目水-油换热器管道流动优化数值模拟学生姓名学号专业班级设计（论文）内容及基本要求设计要求：一、采用理论分析和CFD数值模拟方法对水-油管道流动进行优化数值模拟工作。对不同形式的管道流动的流动状态以及传热特性进行分析对比从而达到优化设计的目的。二、内容要求：1.阅读收集技术文献资料（其中期刊、会议论文不少于6篇），理解设计任务，按学校有关要求完成开题报告一份（前4周完成），包括本课题研究意义、国内外研究现状、研究内容及方法、详细的阶段进度时间计划等内容；2.翻译相关外文资料一篇，原文不少于15000个印刷符号；3.熟悉并熟练掌握FLUENT数值模拟软件，并对换热器凹槽管管道和波纹管管道的换热

2、进行数值仿真分析；4.完成设计说明书一份（30页左右）；5.绘制有关技术图纸,图幅合计1张图纸0#；6.所有正式文件均用A4纸张打印；7.提交内容一致的电子文档和纸质文档各一份；设计（论文）起止时间20 年 月 日 至 20 年 月 日设计（论文）地点指导教师签名 年 月 日系（教研室）主任签名年 月 日学生签名年 月 日水-油换热器管道流动优化数值模拟摘 要:以水作为流动介质，应用三维常物性不可压缩流体稳态湍流流动模型，对凹槽管，波纹管内的流动及传热性能进行了数值模拟研究，并与光滑圆管进行了对比。针对波纹管和凹槽管管内流体流动的特点，波纹管采用RNG-湍流模型，凹槽管用标准流模型，对等壁温边

3、界条件下管内流体三维流动进行数值模拟。本文研究了流速分别为0.5m/s、0.8 m/s、1.0m/s  、1.2 m/s时，在管径16mm，管长1800mm的波纹管中的流动及传热特性。同时，本文对入口雷诺数分别为6000、12000、18000、24000的低温流体流过较高壁温的凹槽管时的流动换热特性进行了数值模拟分析。经过模拟计算得出了流动与换热进入充分发展阶段时的不同截面处的温度、速度、湍流动能分布云图。模拟结果表明对于所选结构的波纹管和凹槽管，换热量随水流速度的增加而增大，同时湍流强化传热效应增强，凹槽管、波纹管均比相同管径的光管综合换热性能强。关

4、键词：强化传热；凹槽管；波纹管；数值模拟；传热特性Numerical Simulation for Flow Optimization of Water Oil Heat Exchanger PipesAbstract: The fluid flow characteristics and heat transfer performance in fluted tube and corrugated tubes were numerically investigated and compared

5、 with smooth tube. It is threedimensional steady incompressible turbulence flow and water as the working mediumDue to the special characteristics of flow field, corrugated tubes was performed by using the RNG k turbulence model and fluted tube was performed by using the standard k- turbulence model

6、for the wall temperature is constant in the tubes. The characteristics of turbulent flow and heat transfer in corrugated tubes of the diameter 16mm and the length 18000mm were studied in different condition of the velocity of flow at 0.5m/s, 0.8 m/s, 1.0m/s,1.2 m/s. At the same time, the cases which

7、 the fluid in different Reynolds number of 6000,12000,18000,24000 flows over fluted tube with higher wall temperature were simulated. The temperature, velocity distribution, pressure, turbulence intensity at different sections for fully developed fluid were obtained, which were compared with the res

8、ults of smooth tubes. The numerical results showed that the quantity of heat transfer increased with the risen of the velocity, and turbulent enhanced as the heat transfer strengthened. It was found that the corrugated tubes and fluted tube can significantly enhance the heat transfer under the same

9、diameter condition.Keywords: corrugated tubes; fluted tube ;Heat transfer enhancement; Numerical simulation; Heat transfer目录第1章 绪论11.1 课题研究的背景及意义11.2 换热器分类11.3 换热器研究与发展21.3.1 换热器发展历史21.3.2 换热器研究及发展动向31.3.3 国外新型换热器技术走向41.4 强化传热技术71.4.1 强化传热技术研究进展71.4.2 强化传热技术分类71.4.3 强化传热的途径81.4.4 强化传热理论91.4.5 强化传热技术

10、评价准则10第2章 流体力学基础和数值模拟简介112.1 流体力学基础112.1.1 流体的基本性质112.1.2 流体运动的基本概念122.2 数值模拟计算方法132.2.1 FLUENT 简介132.2.2 数值模拟思想与理论142.2.3 流动与传热问题的控制方程152.2.4 湍流模型162.2.5 SIMPLE算法16第3章 基于Fluent的换热器管道流场模拟173.1 强化换热凹槽管内流动与传热数值模拟173.1.1 问题概述173.1.2 Fluent的计算步骤173.1.3 凹槽管与光滑圆管模拟结果对比分析193.1.4 强化传热特性分析233.1.5 阻力特性253.2 强

11、化换热波纹管内流动与传热数值模拟263.2.1 数值模型263.2.2 模拟结果对比及分析293.2.3 强化传热特性分析33第4章 结论36参考文献37致谢38I第1章 绪论1.1 课题研究的背景及意义工业社会的发展，离不开能源储备的有力支撑。众所周知，当今人类社会面临三大世界性的难题:1、能源危机;2、人口激增;3、环境污染。作为发展中国家的一员，当前摆在我国面前的能源问题非常严峻。虽然我国能源储备比较丰富，能源种类也比较多，但是由于人口基数大，使得我国的人均能源占有率非常低。近年来政府大力倡导节能减排，虽然取得了不错的成绩，但是离真正解决能源危机还有很长的一段路要走。当前，缓解能源危机主

12、要有两大途径:1、减少对不可再生资源使用的依赖性，不断开发和研究新的可再生资源，如太阳能、风能、化学能、生物能等等;2、改善能源的使用情况，积极研究开发相关能源的节能减排手段和技术，提高能源的使用效率。换热器是一种十分重要的热量交换设备，它是一种在不同温度的多种介质之间实现热量传递的节能设备。它可以用低温介质冷却高温介质从而达到降温、预冷的效果，也可以用高温介质加热低温介质，使其温度达到工艺流程的规定标准从而达到生产的需要。而换热器是化工、石油、钢铁、汽车、环保、食品及其他许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。在化工行业通常占工艺设备总投资的10%20%，在炼油行业中则可能占到35%4

13、0%。因而决定了换热器在工业社会占有举足轻重的地位，这些行业的发展都将为换热器行业提供更加广阔的发展空间。我们知道如今国内市场需求呈现以下特点：对产品质量水平提出了更高的要求，要求产品性价比提高；对产品的个性化、多样化的需求趋势强烈。所以为了满足以上要求以及工艺条件，我们必须对换热器进行优化设计。1.2 换热器分类换热器作为传热设备随处可见，在工业中应用非常普遍，特别是耗能量十分大的领域。随着节能技术的飞速发展，换热器的种类开发越来越多。适用于不同介质、不同工况、不同温度、不同压力的换热器结构和形式亦不相同，换热器种类随新型，高效换热器的开发不断更新，具体分类如下。(1)冷、热流体热量交换的原

14、理和方式。基本上可分三大类：间壁式、混合式和蓄热式。间壁式换热器是温度不同的两种流体在被壁面分开的空间里流动，通过壁面的导热和流体在壁表面对流进行换热。间壁式换热器根据传热面的结构不同可分为管式、板面式和其他型式。管式换热器以管子表面作为传热面，包括蛇管式换热器、套管式换热器和管壳式换热器等；板面式换热器以板面作为传热面，包括板式换热器、螺旋板换热器、板翅式换热器、板壳式换热器和伞板换热器等；其他型式换热器是为满足某些特殊要求而设计的换热器，如刮面式换热器、转盘式换热器和空气冷却器等。 混合式换热器是通过冷、热流体的直接接触、混合进行热量交换的换热器，又称接触式换热器。由于两流体混合换热后必须

15、及时分离，这类换热器适合于气、液两流体之间的换热。例如，化工厂和发电厂所用的凉水塔中，热水由上往下喷淋，而冷空气自下而上吸入，在填充物的水膜表面或飞沫及水滴表面，热水和冷空气相互接触进行换热，热水被冷却，冷空气被加热，然后依靠两流体本身的密度差得以及时分离。在蓄热式换热器中，冷热两种流体依次交替地流过同一换热表面而实现热量交换，固体表面除了换热以外还起到蓄热的作用：高温流体经过时，固体避免吸收并积蓄热量，然后释放给接着流过的低温流体。这种换热器的热量传递过程是非稳态的。三种类型中，间壁式换热器应用最为广泛。(2)表面的紧凑程度。换热器还可以按照表面的紧凑程度而区分为紧凑式换热器（compact

16、 heat exchanger）与非紧凑式换热器(non-compact heat exchanger)。紧凑的程度可以用水力直径（dh ，hydraulic diameter，也称当量直径，流动界面积的4倍除以湿周长）来区别，或者用每立方米中的传热面积来衡量：当>700m2或者dh <6mm时，称为紧凑式换热器。当>3000m2或者100<dh <1mm时，由于水力直径的减小，导致雷诺数减小通道内的流动一般为层流，故又称此类换热器为层流换热器；当>15000m2或者100<dh <1mm时属于微型换热器1。1.3 换热器研究与发展1.3.1 换

17、热器发展历史20世纪20年代出现板式换热器，并应用于食品工业。以板代管制成的换热器，结构紧凑，传热效果好，因此陆续发展为多种形式。30年代初，瑞典首次制成螺旋板换热器。接着英国用钎焊法制造出一种由铜及其合金式换热器，用于纸浆工厂。在此期间，为了解决强腐蚀性介质的换热问材料制成的板翅式换热器，用于飞机发动机的散热。30年代末，瑞典又制造出第一台板壳题，人们对新型材料制成的换热器开始注意。60年代左右，由于空间技术和尖端科学的迅速发展，迫切需要各种高效能紧凑型的换热器，再加上冲压、钎焊和密封等技术的发展，换热器制造工艺得到进一步完善，从而推动了紧凑型板面式换热器的蓬勃发展和广泛应用。此外，自60年

18、代开始，为了适应高温和高压条件下的换热和节能的需要，典型的管壳式换热器也得到了进一步的发展。70年代中期，为了强化传热，在研究和发展热管的基础上又创制出热管式换热器。20世纪80年代以来，换热器技术飞速发展，带来了能源利用率的提高。各种新型高效换热器的相继开发与应用带来了巨大的社会经济效益，市场经济的发展，私有化比例的加大，降低成本已成为企业追求的最终目标。因而节能设备的研究与开发备受瞩目。能源的日趋紧张，全球气温的不断升高，环境保护要求的提高给换热器及空冷式换热器及高温，高压换热器迎来了日益广阔的应用前景。1.3.2 换热器研究及发展动向（1）物性模拟研究:换热器传热与流体流动计算的准确性，

19、取决于物性模拟的准确性。因此，物性模拟一直为传热界重点研究课题之一，特别是两相流物性的模拟，这恰恰是与实际工况差别的体现。实验室模拟实际工况很复杂，准确性主要体现与实际工况的差别。纯组分介质的物性数据基本上准确，但油气组成物的数据就与实际工况相差较大，特别是带有固体颗粒的流体模拟更复杂。为此，要求物性模拟在试验手段上更加先进，测试的准确率更高。从而使换热器计算更精确，材料更节省。物性模拟将代表换热器的经济技术水平。（2）分析设计的研究:分析设计是近代发展的一门新兴科学，美国ANSYS软件技术一直处于国际领先技术，通过分析设计可以得到流体的流动分布场，也可以将温度场模拟出来，这无疑给流路分析法技

20、术带来发展，同时也给常规强度计算带来更准确，更便捷的手段。在超常规强度计算中，可模拟出应力的分布图，使常规方法无法得到的计算结果能方便、便捷、准确地得到，使换热器更加安全可靠。这一技术随着计算机应用的发展，将带来技术水平的飞跃。将会逐步取代强度试验，摆脱实验室繁重的劳动强度。（3）大型化及能耗研究:换热器将随着装置的大型化而大型化，直径将超过5m，传热面积将达到单位10000 m，紧凑型换热器将越来越受欢迎。板壳式换热器，折流杆换热器，板翅式换热器，板式空冷器将得到发展，振动损失将逐步克服，高温，高压，安全，可靠的换热器结构朝着结构简单，制造方便，重量轻发展。随着全球水资源的紧张，循环水将被新

21、的冷却介质取代，循环将被新型，高效的空冷器所取代。保温绝热技术发展，热量损失将减少到目前的50一下。（4）强化技术研究:各种新型，高效换热器将逐步取代现有常规产品。电场动力效应强化换热技术，添加物强化沸腾传热技术，通入惰性气体强化传热技术，添加物强化沸腾传热技术，微生物传热技术，磁场动力传热技术将会在新的世纪得到研究和发展。同心管换热器、高温喷流式换热器、印刷线路板换热器、穿孔板换热器、微尺度换热器、微通道换热器、硫化床换热器、新能源换热器将在工业领域及其它领域得到研究和应用。（5）新材料研究:材料将朝着强度高，制造工艺简单，防腐效果好，重量轻的方向发展。随着稀有金属价格的下降，钛、钽、锆等稀

22、有金属使用量将扩大，钢材料将实现不预热和后热的方向发展。（6）控制结垢及腐蚀的研究，国内污垢数据基本上是20世纪6070年代从国外照搬而来。四十年来，污垢研究技术发展缓慢。随着节能，增效要求的提高，污垢研究将会受到国家的重视和投入。通过对污垢形成的机理，生长速度，影响因素的研究，预测污垢曲线，从而控制结垢，这对传热效率的提高将带来重大的突破。保证装置低能耗，长周期的运行，超声防垢技术将得到大力发展。腐蚀技术的研究将会有所突破，低成本的防腐涂层特别是金属防腐镀层技术将得到发展，电化学防腐技术将成为主导。1.3.3 国外新型换热器技术走向(1)螺旋折流板换热器螺旋折流板换热器（图1-1）是最新发展

23、起来的一种管壳式换热器 ,是由美国 ABB 公司提出的。其基本原理为:将圆截面的特制板安装在”拟螺旋折流系统”中 ,每块折流板占换热器壳程中横剖面的四分之一 ,其倾角朝向换热器的轴线 ,即与换热器轴线保持一定倾斜度。相邻折流板的周边相接 ,与外圆处成连续螺旋状。每个折流板与壳程流体的流动方向成一定的角度 ,使壳程流体做螺旋运动 ,能减少管板与壳体之间易结垢的死角 ,从而提高了换热效率。在气一水换热的情况下 ,传递相同热量时 ,该换热器可减少30 %40 %的传热面积 ,节省材料 20 %30 %。相对于弓形折流板 ,螺旋折流板消除了弓形折流板的返混现象、卡门涡街 ,从而提高有效传热温差 ,防止

24、流动诱导振动;在相同流速时 ,壳程流动压降小;基本不存在震动与传热死区 ,不易结垢。对于低雷诺数下(Re< 1 000)的传热 ,螺旋折流板效果更为突出。图1-1螺旋折流板换热器(2)折流杆式换热器图1-2 折流杆式换热器 示意图20 世纪 70 年代初 ,美国菲利浦公司为了解决天然气流动振动问题 ,将管壳式换热器中的折流板改成杆式支撑结构 ,开发出折流杆换热器。研究表明 ,这种换热器（图1-2）不但能防振 ,而且传热系数高。现在此种换热器广泛应用于单相沸腾和冷凝的各种工况。在后来出现了一种外导流筒折流杆换热器 ,此种换热器能最大限度地消除管壳式换热器挡板的传热不活跃区 ,增加了单位体积

25、设备的有效传热面积。目前 ,所有的浮头式换热器均采用了外导流筒。近些年 ,又出现了直扁钢条支撑方式和波浪型扁钢支撑结构等新型支撑结构的折流杆换热器 。这些新结构除了增加有效换热面积外 ,更主要的是提高了对管子震动的抑制作用。(3) 空心环管壳式换热器空心环管壳式换热器（图1-3）是华南理工大学于发明的一种新型管壳式换热器。空心环是由直径较小的钢管截成短节 ,均匀地分布于换热管管间的同一截面上 ,呈线性接触 ,在紧固装置螺栓力的作用下 ,使管束相对紧密固定。从而支撑管束并促进流体扰动。空心环支撑往往与强化管组合使用 。其特点是：1) 壳程流阻低。壳程轴向流道空隙率达80 %的空心环管间支承物对纵

26、向流体的形体阻力几乎可以忽略。2) 传热膜系数高。该种结构的换热器可充分发挥粗糙型强化传热管的强化传热性能 ,利用传热管的周向粗糙肋 ,促进纵向流体在传热界面上滞流层的湍流度,获得比普通光滑管界面高 80 %100 %的传热膜系数图1-3 空心环管式换热器 示意图(4)管子自支承式换热器近年来 ,人们将壳程强化传热的两种主要途径综合起来考虑 ,利用管子形状的变化来达到相互支撑和强化传热双重功能。目前主要有剌孔膜片式、螺旋扁管式和变截面管式几种形式。剌孔膜片式的特点是刺孔膜片既是支撑元件 ,又是管壁的延伸 ,增大了单位体积内的有效传热面积；膜片上的毛刺和小孔增大了流体湍流度 ,各区间的流体经小孔

27、实现一定程度的混合；刺和孔使换热表面的边界层不断更新 ,减薄了层流底层厚度 ,从而提高了换热系数;壳程流体纵向流动 ,压力降很小。螺旋扁管是瑞典 ALLARES公司推出的一种高效换热元件，螺旋扁管的结构特点是管子换热段的任一截面均为一长圆 ,当组装成换热器时可以混合管束 ,也可以是纯螺旋扁管。螺旋扁管的截面类似于椭圆管 ,椭圆的长短轴比值根据换热管程和壳程的流速设计确定 ,当管程流量较低时 ,可增大长、短轴之比值。减少流通截面以提高流速 ,使换热器两侧处于较理想的流动状态。 变截面管式（图1-4）是把普通圆管按一定节距压制出互成90度或互成60度的扁圆形截面 ,利用这种变截面管互相支撑并构成扰

28、流元件。这种换热器管子排列紧凑 ,减少了换热器的尺寸和质量 ,而且可实现管束间流体薄层流动。其结构比较简单 ,且是双面强化管 ,但最大弱点是管内阻力太大。图1-4变截面管 示意图(5)纵流管束换热器流体在壳程中作纵向流动是管壳式换热器中最理想的流动形式。为了将弓形折流板支撑的横向流动尽可能地改为平行于管子的纵向流动 ，消除滞留死区 。近年来开发出了一些新型结构，例如矩形孔、梅花孔等异形孔的折流板结构。这种折流板既能支承管子 ,又能让传热介质流过折流板 ,产生射流 ,从而消除了管子结垢和垢下腐蚀。后来 ,德国 GRIMMA公司制造的一种网状整圆形折流板换热器 ,传热效果优于传统的圆缺形折流板换热

29、器 ,其结构为在折流板上开横排管孔 ,以 4 个孔为一组将管桥处铣通，壳侧流体在管桥处沿着轴向流动 ,避免了流体因转折引起的滞留区。瑞典的 WELL 和 GEE 提出的针翅管，既能扩大传热面，又可造成流体的强烈扰动 ，极大地强化了传热，而且压降不大 ，可大大节省支承板材料 ，是当前国内外最先进的纵向流换热器。(6)热管换热器热管是一种新型高效的传热元件。热管是一个内部抽成真空并充以少量液体的密封管，具有高效的导热性能。在工作时热流体通过热管的一端外表面，冷流体通过热管另一部分。籍助于管内工质的潜热变化而进行冷热流体间的换热。由于是潜热的变化，具有相当高的导热能力 ，其当量导热系数为铜、银等金属

30、导热系数的几百倍。在20世纪60年代首先被应用于宇航技术中，后来在电子、机械、化工和石油等行业也有了广泛的应用。热管换热器在国外已系列化生产。而我国经过 20 多年努力先后开发了气、气热管换热器、热管蒸汽发生器和高温热管 ，并在石油、化工、冶金、动力以及水泥等行业得到了广泛的应用，取得了良好的效果。（7）新型麻花管换热器瑞典Alares公司开发了一种扁管换热器，通常称为麻花管换热器。美国休斯顿的布朗公司做了改进。螺旋扁管的制造过程包括了“压扁”与“热扭”两个工序。改进后的麻花管换热器同传统的管壳式换热器一样简单，但有许多激动人心的进步，它获得了如下的技术经济效益：改进了传热，减少了结垢，真正的

31、逆流，降低了成本，无振动，节省了空间，无折流元件。由于管子结构独特使管程与壳程同时处于螺旋运动，促进了湍流程度。该换热器总传热系数较常规换热器高40%，而压力降几乎相等。组装换热器时也可采用螺旋扁管与光管混合方式。该换热器严格按照ASME标准制造。凡是用管壳式换热器和传统装置之处均可用此种换热器取代。它能获得普通管壳式换热器和板框式传热设备所获得的最佳值。估计在化工、石油化工行业中具有广阔的应用前景。（8）非钎焊绕丝筋管螺旋管式换热器在管子上缠绕金属丝作为筋条(翅片)的螺旋管式换热器(TA)，一般都是采用焊接方法将金属丝固定在管子上。但这种方法对整个设备的质量有一系列的影响，因为钎焊法必将从换

32、热中“扣除”很大一部分管子和金属丝的表面。更重要的是，由于焊料迅速老化和破碎会造成机器和设备堵塞，随之提前报损。俄罗斯推荐一种新方法制造绕丝筋管，即借助在管子上缠绕和拉紧金属丝时产生的机械接触来固定筋条。采用此法能促进得到钎焊时的连续特性(即将金属丝可靠地固定在管子上，而管子的截面又不过分压紧)，故对于金属丝仅用做隔断时，可以认为是较钎焊更受欢迎的方法。但若利用金属丝作为筋条(翅片)以增加换热面积时，只有当非钎焊筋条的有效传热面不小于钎焊连接时，才应更偏重于此方法。试验表明，当金属丝与管子为线性接触时，有效传热面最大，但此时金属丝会沿管子滑动。所以关键是要选取最佳的接触宽度，也就是绕丝时管子变

33、形留下的痕迹的宽度。这样，非钎焊时的有效传热面要比钎焊时大。1.4 强化传热技术1.4.1 强化传热技术研究进展强化传热概括的说就是改善并提高热量传递的速率，尽可能使单位时间内，通过单位面积传递更多的热量，以达到能源节约高效、清洁、安全合理利用的目的。强化传热技术主要是利用强化传热元件，改进现有换热器或者开发新型换热器，以达到节约设备投资与运行成本、优化生产的目的。最初人们只是在相对分散的领域关注的强化传热，直到 20 世纪 70 年代，石油危机爆发，能源合理利用成为各国工业持续发展亟需解决的问题，极大推进了强化传热技术的发展，出现了各种强化技术的应用，20 世纪 90 年代以来，强化传热研究

34、不断向新的领域发展渗透，其深度与广度日益加大，强化传热新理论不断完善和建立，并在理论指导下走向第三代强化传热技术，并取得了不错的社会效益。管壳式换热器使用范围很广，近年来环保、能源高效利用的要求不断提高，生产工艺不断改变，新能源的开发利用，设备大型化发展等都对管壳式换热器提出了新要求，解决这些问题都离不开强化传热技术的应用。管壳式换热器强化传热的主要方法是对其内部元件采用强化传热措施，具体的就是改变支撑使流体的流动状况得到改善，或采用各种强化传热管取代圆管。1.4.2 强化传热技术分类 强化传热技术应用的目的不尽相同，或为提高传热速率，或为减小设备量和体积，或为降低功率消耗节约运行成本，亦或为

35、了保护设备在安全温度下运行等，所以选用强化传热技术时必须明确目的并熟悉其分类。按照传热方程，强化传热可以粗略的分为三类：增大平均传热温差、增大传热面积、提高传热系数；还可以根据主要的传热过程来分类：导热传热强化、单相对流传热强化、沸腾或冷凝传热强化、辐射传热强化；美国学者 Bergles 从提高传热系数的角度将强化传热技术分为无源强化技术（被动强化）和有源强化技术（主动强化）4，前者是不消耗外部能量达到强化传热的目的，后者是依赖外部能量的输入进行强化传热。此外还有将不同强化传热技术综合使用的复合强化传热技术。1.4.3 强化传热的途径在表面式换热器中，单位时间内的换热量Q与冷热流体的温度差（传

36、热温差）及传热面积F 成正比，即 （1-1）其中，比例系数K称为传热系数，它是反映传热强弱的指标。当传热面积F 和传热温差 固定时，K越大，传热量也就越大。由上式可以看出，增大传热量Q可以通过提高传热系数K、扩大传热面积F和增大传热温差T三种途径来实现，以下分别进行介绍。 增大传热温差的方法有两种。一种方法是提高热流体的温度或降低冷流体的温度。然而在实际工程中，冷热流体的种类及温度常受生产工艺、经济性等因素的制约，不能随意改动。这时可以采用另外一种方法，即通过改变传热面的布置来提高传热温差。由于冷热流体逆向流动时平均温差最大，因此各类换热器一般应尽量采用逆流或接近逆流的流型布置。 扩大传热面积

37、F 。增大传热面积是目前最有实效的强化传热途径之一，它并不是简单的通过增大设备体积来扩大传热面积，而是通过改进传热面的结构来增大单位体积内的传热面积。它的优点在于不仅使传热面得到充分扩展，而且还使流体的流动和换热特性得到相应改善，从而使换热器高效而紧凑。常用的形式有翅化面（肋化面）、异形表面、采用小直径管、多孔介质等。 改善传热系数K 。提高换热器的传热系数以增加换热量是强化传热的重要途径，也是当前强化传热研究的重点。换热器中的传热过程都是由热传递的三种基本方式组合而成的复杂过程，反映换热器传热能力的传热系数K 受其传热过程各分过程传热能力的共同影响。在换热器管壁较薄且没有污垢的情况下，换热器

38、稳定运行时的传热系数K 可由下式计算 （1-2）式中-换热器材料导热系数（）-热流体与传热外表面之间的换热系数（）-冷流体与传热内表面之间的换热系数()-换热器壁厚(m)由上式可知，要增大K 值，提高传热面两侧的换热系数，选用导热性能良好的材料作换热间壁，并尽可能减薄间壁厚度，避免或减轻污垢积聚等都能起到作用。一般情况下，管子金属材料的导热系数很大，管壁厚度很小，式中这一项常可略去不计，于是上式可以改写成 （1-3）由上式可以看出，当和的值相差较大时，要增加传热系数可以通过提高管子两侧的对流换热系数实现，尤其是提高换热器换热较差一侧的换热系数，以取得较好的强化换热效果。对于强化单相介质对流换热

39、，可采取以下措施：1提高工质流速；2使流体横向冲刷管束，消除流体流动时出现的漩涡死滞区；3增加流体的扰动和混合、破坏流体边界层或层流底层的发展、改变换热面表面状况等。例如采用粗糙表面（螺纹管、螺旋槽管、波形板），扩展表面（翅片管、内肋管），旋涡发生器（纽带、螺旋线圈、导流叶片），周期性变化对流换热等。 1.4.4 强化传热理论强化传热理论不仅能使人们对不同强化传热技术的物理本质有统一的认识，还对节能高效的强化技术的开发具指导意义，然而关于强化传热技术的研究，大多具有经验或者半经验的性质，理论研究相对缺少。对流传热的场协同理论的提出从很大程度上改变了这一现状，该理论能对现有的强化传热技术进行深入

40、解释；相比于传统的强化传热技术只能通过不断的实验改进，通过场协同理论可以更容易获得最优的强化传热技术。速度场与温度场协同是指对流传热中速度场与温度场的配合能使无因次流动当量热源强度提高，使传热得到强化。在研究流动与传热时，场协同这一评价指标的应用已经很普遍，根据相关著作2，速度场与温度梯度场的协同性可以用它们的夹角大小来衡量。 （1-4）其中U 是速度矢量由、三个分量构成；T为温度变量，为相应的温度梯度；b 为速度矢量与温度梯度的夹角。很明显，角度越小，U 和的点积就越大，而点积的增大就意味着数的增大。因此，协同角越小和的点积越大，流体与固体表面的对流传热将会得到加强。为了更好的发挥数值计算方

41、法可视化的优点，本文通过用户自定义场函数（Custom field functions ）把协同角转换为角度形式，变化范围为，这样便于可视化观察和分析强化表面处的场协同效果。 场协同数Fc是一个定量描述和比较不同对流传热情况下的速度场和温度场协同程度的标准，其定义为： （1-5）当Fc=1 时，称对流传热的热流场和速度场是完全协同的，即温度场与速度场配合最好。实际中各种对流换热的Fc都很小，甚至比 1 低 12 个量级，还存在很大的改进空间。1.4.5 强化传热技术评价准则采用强化传热技术过程中，传热增强的同时，流动功耗往往增加的更多，所以人们最关心的问题是采用何种评价准则来判断收益和支出是否

42、匹配，即传热效率的提高与输出功率的支出等效效果如何。在实际中，与普通换热器的传热效果进行对比时，由于使用场合与目的的不同，需要的性能评价标准（PEC）也不相同。 按照强化传热的目的，可以将 PEC 分为三类：（1）在相同的换热功率、压降、流量下，减小换热器的体积；（2）在换热器体积、压力损失、流量相同的情况下，提高换热器的传热效率；（3）在换热器体积、传热效率、流量相同的条件下，减小压力损失。凹槽管是由圆管经过冷轧工艺加工制得，其传热面积与圆管的传热面积相同，所以在评价凹槽管或者波纹管强化传热效果的时候，主要关心的是相比圆管，其传热效率的提高。最初人们以（其中为强化管的努赛尔数，为圆管的努赛尔

43、数）为对流传热效率的强化指标，但是在实际运行中采用强化管所消耗的泵功率也增加，所以又提出了这个评价指标（和）分别为强化管和圆管的阻力系数），认为当该比值大于 1 时，强化传热才算有效。这种评价指标显然不是很完善，因为很多情况下阻力系数要比努赛尔数增加的要快，导致该指标不能正确体现所有强化管的强化效果；Webb在消耗泵功率相同、换热面积相同的条件下提出了以光管作为对比的强化管的性能评价准则，即等泵功评价准则，其表达式为,比值大于 1，表明具有强化效果，越大效果越明显，该评价准则能反映出大多数强化管的强化效果，使用范围较广3。第2章 流体力学基础和数值模拟简介2.1 流体力学基础2.1.1 流体的

44、基本性质（1）流体的压缩性流体的传统定义为:能够流动的物体,按照上述定义,气体和液体均属于流体。流体的体积会随着作用在其上压强的增大而减小,我们将流体的这一特性称为流体的压缩性。通常情况下,我们用压缩系数来度量流体的压缩性。当所研究流体的密度为一恒定值时,我们将其认定为不可压缩流体,否则以可压缩流体处理。在通常情况下,我们认为液体是不可压缩流体,其体积和密度不随压强的变化而改变。与之相对的是,气体的密度和体积与压强的变化和热力过程有关。（2）流体的膨胀性流体的体积会随着温度的升高而增大,我们将流体的这一特性称为流体的膨胀性。通常情况下,我们用膨胀系数来度量流体的膨胀性强弱。一般来说,气体的膨胀

45、系数比较大,液体的膨胀系数比较小,在做相关的简化处理时可以不用考虑液体的膨胀性。（3）流体的粘性在做相对运动的两流体层之间的接触面上,存在有一对大小相等方向相反的力,其作用是阻碍两相邻流体层之间的相对运动,我们把流体的这种特性称为流体的粘性,惯性产生的作用力我们将其称之为粘性阻力或内摩擦力。粘性阻力产生的主要原因是由于分子不规则运动产生的动量交换和分子间存在的相互作用力。当流体的粘性系数比较小,且流体的流动速度也不大时,其产生的粘性阻力相较于系统中存在的其他类型的力(如惯性力)来说是非常小的,往往可以忽略不计,此时,我们可以近似的把流体看成是无黏性的,即无粘流体,也就是我们常说的理想流体;对需

46、要考虑黏性阻力影响的流体,我们将其称为粘性流体。（4）流体的导热性当流体内部或流体与其他介质之间存在温差时,根据热力学第二定律,温度高的区域会自发与温度低的区域进行热9交换和传递。热量传热有以下三种基本方式:热传导、热对流以及热辐射。当流体在管内高速流动时,在紧贴壁面的位置会形成层流底层,流体在该区域的流速很低,几乎可以看做为静止不动,所以流体在该区域内的热量传热方式主要是热传导,而层流区以外区域的热量传递方式主要是热对流。单位时间通过单位面积由热传导所传递的热量可以按傅立叶导热定律确定: （2-1）上式中,n为面积的法线方向;为沿n方向上的温度梯度;为导热系数;负号“-”表示热量传递方向与温

47、度梯度方向相反。在通常情况下,流体与固体壁面间的对流换热量可以用下式表示: （2-2）式中,h为对流换热系数,与流体的物性、流动状态等因素有关,主要通过实验数据得到的经验公式来确定。2.1.2 流体运动的基本概念（1）定常流动与非定常流动在流场区域内的任意空间点上,所研究流场流体质点的所有流动参数,如压强、速度、密度等都不随时间的变化而改变,我们将流体的这种流动状态称为定常流动;反之,若流体质点的部分或所有流动参数均随时间的变化而改变,我们将流体的这种流动状态称为非定常流动。（2）流线与迹线我们常用流线和迹线这两个名词来描述所研究流体的流场。流线指的是流体运动过程中某一时刻流场中各流体质点的运

48、动方向所连成的曲线,在该曲线上各流体质点的速度矢量相切于这条曲线;迹线,顾名思义为流体质点的“流动轨迹路线”,其定义为任何一点流体质点在流场中的运动轨迹,它是所研究流场区域内某一流体质点在一段运动时间内所流过的路径,指的是流体质点在不同运动时刻所处位置的连线。当流体运动状态为定常流动时,流体流动状态与时间无关,流线不随时间的变化而改变,流体质点留着流线方向运动,流体质点的流线与迹线重合;而当流体处于非定常流动状态时,流线与迹线不重合。（3）层流流动与湍流流动流体在光滑壁面管内流动时,如果流体的整体流动趋势是明显的一层一层流动,并且各流体层之间互不干扰,不出现各流体层混合现象,我们就将流体的上述

49、流动状态称为层流流动;当流体的流速逐渐增大时,我们发现,流体质点除了有沿管轴线方向水平运动的趋势外,还有沿垂直于管轴线方向垂直运动的趋势,流体所处的这种流动状态说明流体之前的层流流动状态已经被破坏,流体处于无规则的流动状态,我们将流体上述流动状态称之为紊流流动或瑞流流动。我们把流体流动状态发生改变时的流动速度称为流体的临界速度(流体的临界速度又可以分为上临界速度和下临界速度,且下临界速度低于上临界速度)。流体的流动状态并不直接取决于流体的临界速度,而是由反映管道尺寸、流体物理属性、流体流动速度的组合表达式-雷诺数来决定的。雷诺数Re定义为: （2-3）上式中,为流体的密度;u为流体的平均流速;

50、d为流体管道的直径,为流体的动力黏性系数。在工程实际应用中,一般当Re<2000时,我们就认为流体所处的流动状态为层流流动;当Re>2000时,我们就可以认为流体的流动状态为瑞流流动。实际上,雷诺数为一个无量纲数,其值反映了惯性力与薪性力之比。雷诺数较小时,说明流体的點性力相较于惯性力来说比较大,黏性力能够削弱引起流体紊流流动趋势的扰动力,从而使流体保持层流流动状态;而雷诺数较大,说明惯性力相较于黏性力的来说较大,易使流体质点发生紊流流动5。在流体力学中,我们经常将Nu以及Pr这两个无量纲数与Re 起来对流体的流动进行分析研究。在对Nu以及Pr做相关说明之前,先对对流换热的概念做如

51、下相关说明:热量传递有三种方式,即我们熟知的热传导、热对流以及热辖射。热对流仅能发生在流体,而且由于流体中的分子同时不停的在做无规则的热运动,因此热对流过程必然伴随着有热传导。在工程应用中,研究人员特别关注的是流体流过固体壁面时的热量传递过程,我们将该情形下的热量传递称为对流换热,以区别于一般意义上所说的热对流。Nu为反映流体对流换热强度的无量纲数,为对流换热强弱与导热传热强弱的比值,其定义为: （2-4）上式中,为流体对流换热系数;为流道特征长度;为流体热导率。是由流体相关物性参数所组成的一个无量纲数,多用来表明温度边界层和速度边界层之间的关系,其值的大小反映流体物理性质对对流换热过程的影响

52、强弱。其定义为: （2-5）上式中,为运动粘度;为热扩散系数;为定压比热容。2.2 数值模拟计算方法2.2.1 FLUENT 简介作为CFD软件包的一种,FLUENT对流体运动数值模拟的准确性和专业性越来越得到研究人员的广泛认可,使其成为国际上非常流行的商用CFD软件,其在美国的市场占有率超过60%,凡是和流体、热量传递和化学反应等相关的行业均可以采用。FLUENT具有丰富的物理模型、先进的数值计算方法和强大的前后处理器功能,在流体机械、车辆工程、石油化工和航空航天等相关方面都有非常广泛的应用。另外,FLUENT还提供有用户自定义函数(UDF),可以方便研究人员改进和完善所采用的计算模型,从而

53、可以更加方便的处理个性化的问题。用FLUENT软件求解问题,一般需要用到三大部分软件:前处理软件、求解器、后处理软件。其中前处理软件的主要功能是创建研究对象的几何模型,对几何模型进行网格划分操作并设置相应的边界条件,主要软件包括GAMBIT、TGrid、prePDF、GeoMesh等。GAMBIT用于几何模型的创建和相应的网格划分操作,可以生成FLUENT直接使用的网格文件,另外FLUENT还提供各类CAD/CAE软件包与GAMBIT的接口,这样就大大增强了前处理器对复杂几何模型的建模能力;求解器是FLUENT流体计算的核心,其主要功能是导入由前处理器或其他CAD/CAE软件包所生成的网格文件

54、、选择流体计算的物理模型、确定材料属性、施加相应的边界条件、流场初始化、仿真计算和后处理等;一旦所生成的网格文件成功读入到FLUENT中,所有剩下的操作都可以在FLUENT里面完成,其中包括选择流体计算的物理模型、确定材料属性、设置相应的边界条件、流场初始化、仿真求解、根据计算结果进一步优化网格质量、对仿真结果进行相关的后处理操作等;FLUENT本身附带有强大的后处理功能,可以进行一些图像显示、动画生成、生成计算报告等操作。此外,用户还可以借助专业的后处理软件Tecplot或CFD-Post进行相关的后处理操作,不仅可以绘制函数曲线、二维图形,还可以根据实际需要进行三维面绘图和三维体绘图,同时

55、还可以提供多种多样的图形格式。当遇到一个需要用FLUENT求解的流体问题时,我们需要按照一定的思路对所要求解的问题进行分析,制定出相应的求解方案。FLUENT的求解思路一般分为以下几步:(1)确定计算目标确定通过FLUENT仿真需要得到什么样的结果,如何得到这些结果,这些结果需要采用什么样的精度设置;(2)选择计算区域对所要数值模拟的整个物理模型系统进行抽象概括和相应的简化处理操作,确定出计算区域具体包括哪些区域,在模型计算区域的边界上需要使用什么样的边界条件,几何模型需要采用二维处理还是三维处理,哪些拓扑结构最适合所要研究的对象;(3)选择物理模型由于FLUENT中每一种具体的物理模型都有其

56、相关的参数设置,所以在进行数值模拟前,我们需要考虑好选择什么样的物理模型;(4)决定求解过程我们需要确定所要研究的对象是否可以直接利用FLUENT现有的计算公式和算法求解,是否还需要我们提供其它一些相关的参数,是否可以通过修改一些相关的参数设置来使数值仿真更快收敛。在分析完上面四个方面的问题以后,我们就可以对FLUENT的整体计算过程有一个清晰认识,这样就可以较正确的开始使用FLUENT进行数值仿真了6。2.2.2 数值模拟思想与理论在科技发达的今天，产品的研发具有快节奏的特点，强大的数值仿真技术已成为提高竞争力的关键因素之一。仿真的价值不仅仅是能够引导设计，而且能够用来开发探索那些新颖的，富

57、有创造性的设计思路。在对流传热问题的研究中，数值计算方法已经得到的长期的使用，其可靠性较好，数值结果贴近实际，能帮助我们精确分析研究中的关键影响因素，并能给出优化的设计建议。本文利用 Fluent 软件对相同管径的光滑圆管与波纹管，和相同管径的凹槽管与光滑圆管管内流体的流动状态和特性进行数值研究。现实的世界中，流体流过固体表面发生的对流传热在时间和空间上都具有连续性，在数学上我们描述各种流体流动与传热现象时采用的是偏微分方程加上各种边界条件的形式，虽然在数学上已经有了不少解析解，但是对于绝大部分工程应用，常采用数值分析的方法得到实际问题的近似解。数值传热学的基本思想就是：把时间和空间上连续的物理场离散化，用有限离散点处的变量值的集合来近似替代，通过离散方程建立离散点上各个变量之间的关系，然后求解代数方