陳志靜 王大成

(廣東石油化工學(xué)院 茂名 525000)

不同強化管傳熱特性的數(shù)值模擬與實驗研究

陳志靜 王大成

(廣東石油化工學(xué)院 茂名 525000)

對橫紋槽管、縮放管和螺旋槽管在夾套間進行了傳熱特性實驗，研究了傳熱效率指標(biāo)隨雷諾數(shù)的變化規(guī)律。運用FLUENT軟件，采用二維軸對稱方法和k-ε模型對夾套間流體流動傳熱進行了數(shù)值模擬，并將模擬結(jié)果與實驗結(jié)果進行對比。從場協(xié)同的角度研究了速度場與溫度場夾角對傳熱膜系數(shù)的影響。

強化管 傳熱特性 數(shù)值模擬 場協(xié)同

1 引言

強化傳熱是節(jié)約能源的重要舉措之一。通過改變換熱管的傳熱面結(jié)構(gòu)，可以提高傳熱系數(shù)，從而實現(xiàn)強化傳熱［1］。長期以來，人們研究換熱器的流動與傳熱都是通過實驗方法。雖然這種方法具有直觀、真實、可靠等特點，但也存在很大的不足，特別是換熱管管壁溫度的測量總是存在一定的誤差，造成換熱系數(shù)的不準(zhǔn)確，而僅僅利用軟件模擬的方式來考察其性能時，又會導(dǎo)致模擬參數(shù)缺少必要的參考依據(jù)而失真。

因此，本文在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，以空氣為實驗介質(zhì)，分別對水平光管、橫紋管、螺旋槽管和縮放管對流換熱進行了實驗研究和數(shù)值模擬分析，并將兩種結(jié)果進行比較，探討夾套間隙不同構(gòu)造管的強化傳熱性能。另外，利用數(shù)值模擬管壁面處速度場和溫度場的分布情況，從場協(xié)同原理的角度分析其強化換熱的機理。

2 實驗裝置及方案

實驗裝置及流體流動循環(huán)如圖1所示，強化管內(nèi)走蒸汽，夾套間走空氣，實驗時采用蒸汽加熱冷空氣。本實驗中，蒸汽的進出口溫度之差小于1℃，可以認(rèn)為是管內(nèi)恒溫、夾套間變溫的傳熱方式。蒸汽由電蒸汽鍋爐產(chǎn)生，蒸汽鍋爐的功率為36 kW，產(chǎn)生的蒸汽額定壓力為0.4 MPa。空氣通過旋渦氣泵送入實驗換熱套管內(nèi)，實驗裝置的具體參數(shù)和強化管的結(jié)構(gòu)尺寸分別如表1和圖2所示。

圖1 實驗裝置示意圖Fig 1 Experimental apparatus diagram

表1 實驗裝置主要參數(shù)Table 1 Major parameters of experimental apparatus

3 數(shù)值模擬

由于套管環(huán)形空間的軸對稱性，流動區(qū)域可以采用二維建模代替三維建模，以減少計算量。網(wǎng)格的劃分全部采用的是結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，它可以很容易地實現(xiàn)區(qū)域的邊界擬合，適于流體和表面應(yīng)力集中等方面的計算［2］。

圖2 各種內(nèi)管結(jié)構(gòu)參數(shù)圖Fig 2 Different parameters of structure of inner tubes

=1.92，湍動能k與耗散率ε的普朗特數(shù)分別為σk=1.0，σε=1.3，可以通過調(diào)節(jié)“粘性模型”面板來調(diào)節(jié)這些常數(shù)的值。

模型邊界條件設(shè)置如圖3所示。

圖3 邊界條件的設(shè)定Fig.3 Configuration of flow boundary condition

速度進口邊界條件依次為:3.53 m/s、4.94 m/s、6.35 m/s、7.76 m/s、9.17 m/s、10.58 m/s、12.0 m/s、13.4 m/s;

內(nèi)管走的是水蒸氣，可以設(shè)置為恒溫邊界條件:Tw=373 K;

外部套管壁面加了保溫層，設(shè)置為絕熱邊界層。

4 結(jié)果與分析

4.1 傳熱系數(shù)與雷諾數(shù)Re關(guān)系

描述傳熱過程的準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式為［3］:Nu=AReaPrb，當(dāng)流體無相變時，對于強制湍流，自然對流的影響可以不計，對于氣體被加熱時，b為0.4，再對方程兩邊取對數(shù)。(A為系數(shù)，a，b，c為指數(shù))。雙對數(shù)坐標(biāo)圖中，可直接用線性關(guān)系進行擬合，從而得到傳熱系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化關(guān)系趨勢。

據(jù)此，將實驗數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬數(shù)據(jù)進行處理，得到了傳熱系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系曲線，如圖4所示。

圖4 傳熱膜系數(shù)的數(shù)值模擬與實驗值比較○.光管模擬;□.橫紋管模擬;△.縮放管1模擬 ;▽.縮放管2模擬;☆.螺旋管模擬 ;●.光管實驗;■.橫紋管實驗;▲.縮放管1實驗;▼.縮放管2實驗 ;★.螺旋管實驗。黑實線代表光管的理論計算值Fig.4 Comparison of numerical simulation and experiment value of the surface coefficient of heat transfer

由圖可知，4種強化管的傳熱系數(shù)都大于光滑管的傳熱系數(shù)，實現(xiàn)了強化傳熱的作用。傳熱膜系數(shù)隨Re的升高而升高，在相同的Re下，傳熱系數(shù)的優(yōu)劣次序為:螺旋槽管、縮放管1、縮放管2和橫紋管。

從圖4可以看出，數(shù)值模擬值與實驗值很接近，但二者有一定的誤差，對于光管，其實驗值與模擬值非常接近，最大誤差不超過10%。數(shù)值模擬可以對實驗起到驗證作用。

4.2 強化管結(jié)構(gòu)對傳熱性能的影響分析［4］

許多研究結(jié)果表明，在促進邊界面湍流強度方面，主要考慮的問題是流體在產(chǎn)生邊界層分離流之后持續(xù)的時間，從而決定肋間距的大小。相對肋間距(P/e)為6—10時，粗糙管所引起的強化傳熱效果最佳，當(dāng)考慮擴展傳熱面積引起給熱系數(shù)提高時，相對肋間距(P/e)為1—3之間比較合理。本實驗4種強化管的相對肋間距符合上述條件，其中橫紋管的相對肋間距為8.42，螺旋管為2.4，縮放管為6.7(P為肋間距;e為肋高)。面積擴展比率橫紋槽管為1.05、螺紋管為1.76、縮放管為0.978。

幾種強化管的肋形對傳熱性能的影響分析如下:

(1)橫紋槽管。橫紋槽管有效傳熱面積幾乎沒有擴展，其外肋形較寬，管內(nèi)主要靠窄的突出肋條對流體產(chǎn)生擾動，管外主要靠窄的凹槽使邊界層不斷斷開，對流體的擾動較小，由圖4可見，隨著Re數(shù)的增大，橫紋管對流體的擾動加強，從而傳熱性能加強。

(2)縮放管?？s放管的有效傳熱面積雖沒有擴展，但縮放管曲面過度平滑，不僅壓力降比較低，而且由于收縮的變化使流體在沿壁面前進的過程中產(chǎn)生正負反壓差，使流體微團沿壁面產(chǎn)生回轉(zhuǎn)旋渦，從而使傳熱膜系數(shù)提高。

(3)螺紋管。螺紋管的面積擴展較大，為加工前光管的1.76倍，另外螺紋管的外突出肋條較高、較窄，它使流體微團在肋間產(chǎn)生回流旋轉(zhuǎn)，對流體的擾動較大，隨著Re的提高，有效擴展面積的利用率得到提高，所以螺紋管的傳熱性能得到明顯的提高。

5 速度和溫度場協(xié)同分析［5］

數(shù)值模擬得到了不同強化管的速度場和溫度場的分布圖。本文將根據(jù)場分布圖，利用場協(xié)同原理來分析橫紋槽管和縮放管局部傳熱系數(shù)。

文獻［6］提出了場協(xié)同原理，簡述如下:以二維層流邊界層為例，其能量方程為:

對上述方程積分并無量綱化得:

其中:Nu、Re和Pr分別為努塞爾數(shù)、雷諾數(shù)和普朗特數(shù)。其中

式中;β為熱流矢量和速度矢量的夾角。從式(4)和式(5)可以看出，速度和溫度梯度的夾角β在控制對流換熱的強度時起著很重要的作用。當(dāng)它們的夾角β小于90o時，β越小則對流傳熱系數(shù)越大，當(dāng)β=0°時，可以達到最大值。

從圖5可以看出，光管流體速度平行于壁面，等溫線與壁面接近平行，因此速度矢量與溫度梯度矢量的夾角接近90°但小于90°，速度場與溫度場的協(xié)同程度不是很好，其溫度場和速度場在整個流動過程中變化不大，所以其傳熱系數(shù)沿管程幾乎不變。

圖5 光管速度場與溫度場的分布Fig.5 Velocity field and temperature field distribution while inner tube is smooth tube

從圖6可見，橫紋槽管為內(nèi)管時，在凹槽的開始端，流體的溫度梯度與速度矢量的夾角相對于光管的時候要小，因此在該位置，傳熱膜系數(shù)有一個比較小的增大，出現(xiàn)第一個峰值。此后邊界層發(fā)生分離，流體產(chǎn)生回流，壁面附近的流體的流速非常小，速度與溫度梯度的夾角又接近90°，并且等溫線比較稀疏，溫度梯度的大小比較小，因此傳熱膜系數(shù)迅速下降。此后，等溫線逐漸密集，傳熱膜系數(shù)也慢慢回升。在凹槽結(jié)束的位置，等溫線最密集，溫度梯度最大，速度場與溫度梯度場的夾角也最小，并且在該處的速度值也是最大的，因此在凹槽的結(jié)束處傳熱膜系數(shù)出現(xiàn)第二個峰值，且其值最大。

圖6 內(nèi)管為橫紋管時速度場與溫度場的分布Fig.6 Velocity field and temperature field distribution while inner tube is traverse-corrugated tube

由圖7可以看出，縮放管為內(nèi)管時，在壁面的下降處，由于流通面積的擴大，流速減少，并且出現(xiàn)回流現(xiàn)象，從圖中也可以看到其溫度梯度的大小也變小，在有些位置速度與溫度梯度的夾角雖然很小，但是由于速度與溫度梯度的值都比較小，其整體效果還是使傳熱膜系數(shù)降低。在壁面的上升處，流體在壁面附近的溫度梯度較大，其隨著壁面的上升，溫度梯度和速度都增加，因而傳熱膜系數(shù)隨著壁面的上升也逐漸增加，在壁面的最高處其傳熱膜系數(shù)最大。

圖7 內(nèi)管為縮放管3時速度場與溫度場的分布Fig.7 Velocity field and temperature field distribution while inner tube is convergent-divergent tube 3

6 結(jié)論

(1)通過實驗研究得到幾種不同結(jié)構(gòu)內(nèi)管都具有強化傳熱的效果。傳熱膜系數(shù)隨Re的升高而升高;在相同的Re下，傳熱系數(shù)的優(yōu)劣次序為:螺旋槽管、縮放管1、縮放管2和橫紋管。

(2)數(shù)值模擬的結(jié)果與實驗結(jié)果相符，最大誤差不超過10%，可以用來驗證實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。

(3)應(yīng)用場協(xié)同理論，從局部換熱系數(shù)分析其強化機理，發(fā)現(xiàn)橫紋槽管外側(cè)換熱得到強化的原因是其凹槽周圍的速度場與溫度場之間夾角更小，協(xié)同程度更好。對于縮放管，在流體的擴張段，傳熱膜系數(shù)沿程降低，但在在流體的收縮段，其傳熱膜系數(shù)沿程增加。

1 余德淵.實用強化傳熱技術(shù)簡介［J］.石油化工設(shè)備，1995(1):3-7.

2 Patankar S V.Numerical Heat Transfer and Fluid Flow［M］.New York:Hemisphere Publishing Corporation，1979.

3 陳敏恒，從德滋，方圖南，等.化工原理(上冊).［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1999.

4 羅小平，鄧先和，鄧頌九.夾套間強化管傳熱性能比較［J］.華南理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，1997，25(5):26-30.

5 王 軍.電場協(xié)同強化空氣對流換熱實驗及其機理研究［D］.廣東:華南理工大學(xué)，2006，19-49.

6 過增元.對流換熱的物理機制及控制［J］.科學(xué)通報，2001，45(19):2118-2122.

Numerical simulation and experiment on heat transfer performance of different enhancement tubes

Chen Zhijing Wang Dacheng

(Guangdong University of Petrochemical Technology，Maoming 525000，China)

Experimentally with the heat transfer of traverse corrugated tube，spiral tube and convergentdivergent tube in annulus was studied.The rules of efficiency index variation with Reynolds number were studied.The simulation on a single-tube heat exchanger was performed utilizing the two-dimensional axialsymmetry method and k-ε turbulent model using the FLUENT software，and the results were compared with the experimental results.Finally，studying the angle between velocity field and temperature field infect the surface coefficient of heat transfer through field synergy.

enhancement tubes;heat transfer performance;numerical simulation;field synergy

TB663

A

1000-6516(2012)01-0061-04

2011-11-02;

2012-01-20

廣東石油化工學(xué)院青年創(chuàng)新人才培育項目(2010yc01)資助。

陳志靜，男，26歲，碩士，講師。