史以奇,　李　凌

(上海理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院,上?！?00093)

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螺紋管管內(nèi)流動與傳熱的數(shù)值模擬

史以奇,李凌

(上海理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院,上海200093)

摘要：采用數(shù)值模擬的方法對螺紋管管內(nèi)的流動與換熱情況進(jìn)行了研究.針對不同槽深螺紋管在不同雷諾數(shù)下內(nèi)部的速度矢量場進(jìn)行了對比分析,詳細(xì)研究了螺紋對管內(nèi)兩種流動方式及其對流動和換熱的影響.研究結(jié)果表明,隨著槽深e的增加,旋流不斷加強(qiáng),減薄邊界層,渦流引起的擾動也逐漸增強(qiáng),并加強(qiáng)了管內(nèi)流體徑向混合,因而強(qiáng)化了螺紋管的換熱能力.但是當(dāng)槽深e繼續(xù)增加到一定程度時,旋流的增強(qiáng)主要集中于對換熱影響較小的中心區(qū)域,而對換熱影響較大的壁面附近的變化很小,這時旋流對換熱的強(qiáng)化影響很小;此時渦流核心區(qū)又會逐漸形成死流,從而弱化換熱,并且隨著槽深e的增大,死流區(qū)逐漸擴(kuò)大.

關(guān)鍵詞：螺紋管; 螺旋流動; 傳熱; 數(shù)值模擬

螺紋管因?yàn)橹圃旌唵?、傳熱性能及機(jī)械性能好等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于冶金、動力、核能、制冷、石油化工、航空航天等各個領(lǐng)域,有大量文獻(xiàn)對其強(qiáng)化換熱機(jī)理進(jìn)行了研究[1-11].一般認(rèn)為螺紋管的強(qiáng)化換熱主要在于螺紋對流動產(chǎn)生的擾動,有研究發(fā)現(xiàn)螺紋對流動的擾動主要有兩種表現(xiàn):一方面螺紋對近壁處流體流動的限制作用使管內(nèi)流體產(chǎn)生附加的螺旋流動;另一方面流體經(jīng)過螺紋時會產(chǎn)生分離流動.鄧頌九等[12]根據(jù)前人和自己所做的湍流實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，推論出這兩種流動方式對螺紋管內(nèi)的傳熱強(qiáng)化起決定性作用.李向明等[13]用氫氣泡示蹤法也證實(shí)了上述兩種流動同時存在的推論.但以上兩種流動方式的存在是在實(shí)驗(yàn)室觀察得到的,對其機(jī)理的研究還極少,尤其是螺紋管的結(jié)構(gòu)參數(shù)對流動方式及其對換熱的影響還有待于進(jìn)一步探討.本文采用數(shù)值模擬方式,對不同雷諾數(shù)和不同槽深螺紋管內(nèi)的流動和換熱情況進(jìn)行了分析,詳細(xì)討論了螺紋對流動方式和換熱的影響.

1物理及數(shù)學(xué)模型

以往研究[1,12]認(rèn)為,無量綱截距p*(p*=p/d)為0.4～0.75和無量綱槽深e*(e*=e/d)為0.003～0.054是螺紋管換熱的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)范圍.本文據(jù)此選用截距p為8 mm,槽深e分別為0.4,0.5,0.6,0.7,0.8 mm的規(guī)格為20×2 mm鋼管壓制而成的螺紋管作為研究對象.圖1為其結(jié)構(gòu)示意圖,其中p為截距,D為外徑,d為內(nèi)徑,e為槽深,t為管壁厚度.

圖1　螺紋管結(jié)構(gòu)示意圖

本文應(yīng)用fluent軟件進(jìn)行模型研究,采用前處理軟件ANSYS ICEM劃分混合網(wǎng)格.為保證前幾層網(wǎng)格中每層網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)距離壁面高度基本一致,壁面附近采用棱柱網(wǎng)格,內(nèi)部網(wǎng)格采用六面體為主的混合網(wǎng)格,如圖2所示.

求解過程采用分離變量法的隱式求解,湍流模型采用RNGk-ε湍流模型,壁面處采取增強(qiáng)壁面函數(shù)處理.對動量方程和能量方程采用二階迎風(fēng)離散求解,壓力和速度耦合采用經(jīng)典的SIMPLE算法.空氣進(jìn)出口采用周期性邊界條件,質(zhì)量流量給定,壁面溫度設(shè)為Tw=393 K的恒壁溫邊界條件,空氣在壁面處采用無滑移邊界條件.空氣溫度設(shè)為室溫,取值295 K,物性假設(shè)為常物性.

圖2　螺紋管網(wǎng)格示意圖

2結(jié)果與討論

2.1方法的驗(yàn)證

本文首先進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證,并進(jìn)一步將計(jì)算結(jié)果同實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[14]進(jìn)行對比,圖3表示阻力系數(shù)f和努塞爾數(shù)Nu隨流量G的變化情況.由圖3可見,f及Nu數(shù)都和實(shí)驗(yàn)值吻合較好,說明本文算法可靠.

圖3　實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值對比

2.2不同雷諾數(shù)Re下兩種流動方式的比較

對Re數(shù)分別為10 000,20 000和30 000時的螺數(shù)管內(nèi)流動情況進(jìn)行模擬計(jì)算,圖4和圖5分別為槽深e為0.6 mm時,螺紋管的截面速度矢量分布圖和管內(nèi)流線在剖面上的局部投影.從圖4可以觀察到明顯的螺旋流動,并且遠(yuǎn)離中心的流體螺旋速度很大,而靠近螺紋管中心部分區(qū)域流體旋轉(zhuǎn)程度逐漸變小.進(jìn)一步比較不同Re數(shù)下的速度矢量圖可以看出,隨著Re數(shù)的增加,旋流不斷增強(qiáng).這是因?yàn)镽e數(shù)增加,管內(nèi)流體速度變大,流體慣性力影響也越來越大,粘滯力影響越來越小,導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)流動增強(qiáng).

同時從圖5可以看到,由于螺紋產(chǎn)生的形體阻力使流體產(chǎn)生逆向壓力梯度,迫使邊界層分離,沿流體流動y方向凹槽后部產(chǎn)生了渦流;并且隨著雷諾數(shù)的增加,凹槽背后的渦流區(qū)域逐漸減小.

圖4　螺紋管截面速度矢量分布圖

2.3兩種流動方式對螺紋管換熱的影響

為了進(jìn)一步分析兩種流動方式對流動換熱的影響,計(jì)算不同槽深的螺紋管在不同Re數(shù)下的Nu數(shù)和阻力系數(shù),如圖6所示.圖6(a)顯示f隨著槽深e的增大而增大,而隨著Re數(shù)的增大而減弱.這主要是由于隨著槽深e的增大,旋流和分離流引起的渦流逐漸加強(qiáng),螺紋的形體阻力也越大.由圖6(b)可以看出當(dāng)槽深e一定時,隨著Re數(shù)的增大,Nu數(shù)也逐漸增大,然而當(dāng)Re數(shù)一定時Nu數(shù)隨著槽深e的增加先增加而后又逐漸減小,并且Re數(shù)越大,這種現(xiàn)象越明顯.

圖5　螺紋管管內(nèi)流線在剖面上投影

圖6　Nu與阻力系數(shù)f隨槽深e的變化圖

為對此現(xiàn)象進(jìn)行深入討論,計(jì)算Re=20 000時,槽深e分別為0.4,0.6,0.8 mm時螺紋管內(nèi)的流動情況.圖7和圖8(見下頁)分別為e為0.4 mm和0.8 mm時截面上速度矢量圖和管內(nèi)流線在剖面上的局部投影.由圖可見,槽深e越大,管內(nèi)旋轉(zhuǎn)流動越強(qiáng),換熱也越強(qiáng).但是當(dāng)e增加到一定時候,旋流的增強(qiáng)主要在于對換熱影響較小的中心區(qū)域,而對換熱影響較大的壁面附近其變化很小.這時旋流對換熱的強(qiáng)化影響很小，然而，在螺紋后面形成的回流區(qū)卻很大.回流區(qū)對換熱的影響與幾何參數(shù)有關(guān),一般，流體的分離擾動會強(qiáng)化換熱,但是在某些參數(shù)下回流區(qū)會形成死流區(qū),從而弱化換熱,因此總的效果就可能表現(xiàn)為換熱弱化.

圖7　　　不同槽深e的螺紋管截面上的速度矢量分布圖

Fig.7Velocity vectors distribution on the cross

section at different depthse

圖8　　　不同槽深e的螺紋管流線在剖面上的投影

Fig.8Streamlines at the projection towards the

profile face at different depthse

為了進(jìn)一步討論回流對流動換熱的影響,計(jì)算螺紋后面局部處的Nu數(shù).圖9示出了槽深e為0.6 mm時,螺紋管螺紋后面局部Nu數(shù)的變化情況.由圖9可見,局部Nu數(shù)成波狀分布,部分區(qū)域低于光管局部Nu數(shù),這是因?yàn)榇藭r螺紋后面渦流逐漸蛻變?yōu)樗懒?從而弱化換熱,這也同時解釋了圖6(b)中出現(xiàn)的Nu數(shù)隨著槽深e的增加而有所下降的現(xiàn)象.

圖9　螺紋管壁面上局部Nu數(shù)分布圖(Re=20 000)

3結(jié)論

應(yīng)用fluent軟件對螺紋管的流動換熱進(jìn)行了數(shù)值模擬,研究管內(nèi)不同流動方式的存在及其對流動換熱的影響.在本文研究的參數(shù)范圍內(nèi),獲得以下結(jié)論:

a. 螺紋管管內(nèi)存在兩種對換熱起決定性作用的流動:一種為螺旋流動;另一種為分離流動引起的渦流.隨著Re數(shù)的增加,旋流不斷加強(qiáng),而渦流區(qū)域逐漸變小.

b. 隨著槽深e的增加,旋流不斷加強(qiáng),管內(nèi)的流動換熱增強(qiáng),分離流引起的渦流加強(qiáng)了流體的徑向混合,有利于管內(nèi)換熱.而當(dāng)槽深e增加到一定的時候,由于螺紋背后形成死流,局部換熱能力降低.而此時旋流的增強(qiáng)主要集中于對換熱影響較小的中心區(qū)域,而對換熱影響較大的壁面附近的變化很小,這時旋流對換熱的強(qiáng)化影響很小,致使管內(nèi)的整體換熱能力又有所下降.

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(編輯:丁紅藝)

Numerical Simulation of Fluid Flow and Heat Transfer in Spirally Fluted Tubes

SHI Yiqi,LI Ling

(School of Energy and Power Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

Abstract：The flow and heat transfer in spirally fluted tubes were investigated numerically.The velocity vector fields in spirally fluted tubes with different groove depths under different Reynolds numbers were compared.The influences of the thread groove on the two types of flows and heat transfers were investigated.It is found that the spiral flow is enforced with the increasing groove depth “e”,the disturbance caused by eddy is gradually enhanced and the heat transfer in the pipe also increases.However,when e rises up to a certain value,the enhancement of spiral flow concentrates mainly in the center region of pipes which has little effect on heat transfer.In the area near the wall where the flow type has a great influence on heat transfer,the change of spiral flow is small and therefore it has little effect on heat transfer enhancement.The center of the eddy becomes a ‘still zone’ which weakens the heat transfer.In addition,when e is kept increasing,the still zone enlarges.

Keywords：spirally fluted tube; spiral flow; heat transfer; numerical simulation

中圖分類號：TK 124

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

通信作者：李凌(1976-),女,副教授.研究方向:數(shù)值傳熱、強(qiáng)化傳熱.E-mail:liling@usst.edu.cn

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51476102)

收稿日期：2014-11-07

DOI：10.13255/j.cnki.jusst.2016.02.006

文章編號：1007-6735(2016)02-0133-04

第一作者： 史以奇(1989-),男,碩士研究生.研究方向:數(shù)值傳熱.E-mail:yuqi1202@163.com