彭德其, 張凱博, 俞天蘭, 吳淑英, 王志奇, 喬 碩, 禹衛(wèi)東

(1. 湘潭大學 機械工程學院, 湖南 湘潭 411105; 2. 湖南工業(yè)大學 機械工程學院, 湖南 株洲 412007;3. 湖南中興設(shè)備安裝工程有限責任公司, 湖南 株洲 412000)

1 前 言

強化傳熱技術(shù)[1-3]是提高能源利用效率的有效途徑，一直是國內(nèi)外研究的熱點，其中螺旋[4-7]和液固兩相流[8-10]作為2 種不同方式的強化傳熱技術(shù)，已經(jīng)得到廣泛研究與應用。螺旋通過引導流體呈螺旋流運動以及沿螺旋的二次流動，破壞邊界層的發(fā)展達到強化傳熱目的。Hong[11]、Keklikcioglu[12]、Gunes[13]等通過實驗分別研究了不同長徑比螺旋、三角形截面螺旋以及與管壁分開放置螺旋對換熱性能的影響，其綜合性能評價值(PEC)均大于1。液固兩相流通過顆粒對壁面的碰撞作用，擾動邊界層和有效清除壁面污垢，達到強化傳熱目的，Tan[10]、Kang[14]與Ehsani[15]等研究顆粒種類和物性參數(shù)在液固流化床中對換熱性能的影響，發(fā)現(xiàn)硅砂顆粒流化床比板式換熱器熱性能提高14.9%。內(nèi)插螺旋液固兩相流復合技術(shù)通過加劇螺旋流運動強度以及顆粒對壁面的碰撞，達到強化傳熱的目的，段培清等[16]在液固兩相流基礎(chǔ)上加入螺旋，其熱阻降低20%～50%，彭德其等[17-18]分別采用數(shù)值模擬與實驗對螺旋與液固兩相流復合技術(shù)中螺旋參數(shù)及顆粒特征對換熱性能影響進行了研究，其傳熱系數(shù)比螺旋流提高15%～20%。綜上所述，前人對內(nèi)插螺旋、液固兩相流技術(shù)進行了一系列的換熱實驗及數(shù)值模擬研究，有效地證明內(nèi)插螺旋、液固兩相流均有利于強化傳熱。但其水力和熱工性能取決于流體在管內(nèi)流動行為，因此管內(nèi)流動特征研究對揭示傳熱機理具有重要意義。

粒子圖像測速技術(shù)(particle image velocimetry，PIV)作為非接觸式流場可視化測量技術(shù)，已廣泛應用于管內(nèi)插物和液固兩相流等各種流動模式研究[19-20]。García 等[21]運用PIV 和氫氣泡可視化技術(shù)分析內(nèi)插螺旋管內(nèi)流動機制由層流變化為湍流的變化情況。He 等[22-23]通過PIV 實驗分析內(nèi)插“潔能芯”轉(zhuǎn)子橫截面速度分布以及流場的運動特征。車翠翠等[24]利用PIV 技術(shù)得到圓管內(nèi)置梯形迎流、順流翼片對后方流場的擾動特征情況。Liu 等[25]通過數(shù)值模擬與PIV 技術(shù)研究了管內(nèi)插入一根多錐條對流場的影響。王麗燕等[26]使用PIV 分析顆粒對流場的影響，以及粒徑和濃度與顆粒速度的聯(lián)系。Sun 等[27]通過PIV 技術(shù)測量湍流狀態(tài)下光管和液固兩相流邊界層的變化特征。Shokri 等[28]通過PIV/PTV 技術(shù)研究高雷諾數(shù)下顆粒及流體的速度分布。Ahmadi 等[29]運用PIV/PTV 技術(shù)分析了顆粒濃度、顆粒尺寸以及雷諾數(shù)對湍流流動的變化情況。綜上所述，尚未發(fā)現(xiàn)學者運用PIV 技術(shù)對內(nèi)插螺旋液固兩相流的流動特征進行研究。

本文將在復合技術(shù)PEC 指數(shù)比光管高的基礎(chǔ)上開展研究[17]，借助PIV 技術(shù)對光管(1#)、液固兩相流(2#)、管內(nèi)插螺旋(3#)、管內(nèi)插螺旋液固兩相流(4#)條件下立式上行管內(nèi)流動特征進行研究，通過對比分析不同工況下渦量場及速度場分布規(guī)律，從流場角度對管內(nèi)插螺旋液固兩相流復合技術(shù)強化傳熱機理開展研究。

2 實驗部分

2.1 實驗裝置

實驗裝置如圖1 所示，主要由PIV 測試系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)、立式實驗測試段組成。

圖1 實驗裝置圖Fig.1 Experimental device diagram

圖2 測試段實物圖Fig.2 Test section

為準確捕捉管內(nèi)充分發(fā)展段的流動情況，測試段實物如圖2 所示，采用長度L=1 000 mm、內(nèi)徑D=32 mm 有機玻璃管，測量部位位于相對進口位置距離90D 處[28]，同時為最小化管壁的曲率引起圖像失真，在圓管外安裝一矩形有機玻璃水槽。在水箱中加入粒子與水，待其混合均勻后由離心泵輸送至管段中，流體依次經(jīng)過調(diào)節(jié)閥、電磁流量計、測試段等，最后再回到水箱。實驗采用密度為1 200 kg·m-3的?4 mm有機玻璃珠作為固態(tài)顆粒，其初始流態(tài)化速度為0.8 m·s-1。螺旋選用參考文獻[18]中最優(yōu)換熱性能參數(shù)(絲徑1.5 mm、螺距20 mm、外徑30 mm)，且螺旋在流速為1 m·s-1時往復運動，綜合考慮粒子流態(tài)化速度以及螺旋往復運動所需流速，選取雷諾數(shù)Re=26 400、28 600、30 800、33 000 工況進行研究。

2.2 PIV 實驗原理

2.3 實驗驗證

為驗證測量的準確性，圖4 為該實驗儀器下光管的平均速度與文獻[30]的對比情況?？v軸表示不同半徑軸線上的平均速度u 與管中心軸線平均速度Um的比值，橫軸表示不同半徑位置的軸線與中心軸的距離。由圖可知，在靠近管中心區(qū)域(經(jīng)x/r=0～0.4)內(nèi)，本文與文獻具有相同的分布趨勢，分布差異主要集中在近壁面區(qū)域(x/r=0.4～0.9)內(nèi)，實驗誤差6.2%～11.3%，可能是由于激光散射、區(qū)域內(nèi)示蹤粒子沒有均勻分布等實驗誤差所致的差異，但誤差在可接受范圍之內(nèi)。因此，本文實驗數(shù)據(jù)認為具有可靠性。

2.4 參數(shù)定義

縱截面內(nèi)的渦量xyΩ 定義為

圖3 PIV 測速原理圖Fig.3 Principle of PIV velocity measurement

圖4 速度對比圖Fig.4 Velocity comparison

式中：U 和V 分別為軸向速度和徑向速度，m·s-1。

二維湍動能K[23]定義為

3 實驗結(jié)果與討論

當Re=26 400、28 600、30 800、33 000 時，通過PIV 測量得到光管(1#)、液固兩相流(2#)、管內(nèi)插螺旋(3#)、內(nèi)插螺旋液固兩相流(4#)的渦量場、速度場信息，并量化分析其流動特征。

3.1 渦量場

渦量是有旋運動與無旋運動的判定標準，渦量越大，流場的擾動程度越劇烈。圖5 為Re=26 400 時的4 種工況下渦量分布圖。工況1#中渦量主要集中在管壁處，其最大值為180；工況2#中顆粒跟隨流體在管內(nèi)無規(guī)則運動過程中與壁面發(fā)生碰撞，擾動流場，增大了壁面處的渦量，同時顆粒與顆粒之間相互碰撞對整個區(qū)域內(nèi)流體都有一定的擾動，其最大值為198；工況3#中管內(nèi)流體運動由垂直向上變化為隨螺旋引導作用呈螺旋流向上運動，加劇了對流場的擾動，其最大值為220，且最大渦量位置由壁面轉(zhuǎn)移到螺旋與壁面接觸處；工況4#中螺旋引導顆粒以及流體運動中顆粒與螺旋的相互作用力加劇了螺旋的振動頻率，使得管內(nèi)螺旋流動更加劇烈。同時由于螺旋的往復運動，其渦量在壁面與螺旋絲徑接觸前后處均有分布，最大值為250。

圖5 Re=26 400 渦量分布Fig.5 Vorticity distribution at Re=26 400

進一步量化分析4 種工況下的沿管軸向的縱截面平均渦量Ω 分布。由圖6 可知，雷諾數(shù)與總平均渦量均呈正相關(guān)，隨著雷諾數(shù)增加，1#、2#渦量呈穩(wěn)定遞增趨勢，3#、4#渦量先遞增后趨于穩(wěn)定。3#、4#在Re=26 400～30 800 時螺旋由靜止逐漸開始往復運動，Re=30 800～33 000 螺旋往復運動逐漸穩(wěn)定，故渦量分布呈先增后穩(wěn)的趨勢；同時4#中顆粒跟隨螺旋呈螺旋流運動時，顆粒與螺旋的碰撞作用使得螺旋振動頻率要大于3#。在相同雷諾數(shù)下，相比于1#、2#渦量提升4.9%～11.9%、3#渦量提升14.6%～26.4%，4#渦量提升21.4%～35.8%，4#的總平均渦量最大，證明內(nèi)插螺旋液固兩相流能夠有效改變流體流動特性。

圖6 平均渦量隨雷諾數(shù)變化關(guān)系Fig.6 Variation of average vorticity with the Reynolds number

3.2 速度場

3.2.1 徑向速度

圖7 不同雷諾數(shù)下徑向速度分布Fig.7 Radial velocity distribution in different Reynolds numbers

徑向速度是促進主流區(qū)流體與管壁附近區(qū)域流體相互交換和混合產(chǎn)生渦量的主要動力，圖7 為管中心截面上不同雷諾數(shù)下4 種工況的徑向速度分布。1#中流體主要垂直向上運動，其徑向速度非常小，最大值為0.001 m·s-1；2#中由于顆粒與壁面、顆粒與顆粒的相互碰撞，一定程度上增加了徑向流體之間交換，且顆粒分布規(guī)律隨機性大，使徑向速度呈不規(guī)則波動分布，最大徑向速度為0.016 m·s-1；3#中液體受螺旋導流作用后呈螺旋流旋轉(zhuǎn)向上運動，在離心力作用下流向壁面，繼續(xù)與壁面接觸的流體會受到壁面碰撞后回流至中心區(qū)域，并形成漩渦且不斷脫落，因此流體徑向速度呈正負波動分布，其最大值為0.061 m·s-1；4#中顆粒與螺旋之間相互碰撞進一步加快了螺旋的振動頻率，同時顆粒與管壁不斷往返碰撞提高了流體徑向交換程度，液體徑向速度最大值為0.072 m·s-1。

圖8 平均徑向速度隨雷諾數(shù)變化關(guān)系Fig.8 Relationship between the average radial velocity and the Reynolds number

圖9 徑向脈動速度隨雷諾數(shù)變化關(guān)系Fig.9 Relationship between the radial fluctuation speed and the Reynolds number

為了進一步量化流體在徑向上的交互程度，采用徑向速度大小沿徑向進行積分得到平均徑向速度V，如圖8 所示，相比于1#，2#平均徑向速度提升1.75～5.47 倍，3#平均徑向速度提升 4.47～16.82 倍，4#平均徑向速度提升5.51～18.8 倍。徑向速度越大，產(chǎn)生的二次流越強烈，主流區(qū)流體與管壁附近區(qū)域流體相互交換和混合更加充分，越有利于形成渦流實現(xiàn)傳熱。

為進一步驗證工況4#的優(yōu)越性，計算出4 組雷諾數(shù)下4 組工況的均方根徑向脈動速度VRMS(均方根脈動速度RMS 代表著速度波動的絕對大小)。由圖9 可知，隨著雷諾數(shù)的增大，均方根徑向脈動速度逐漸增大；相比于1#，2#均方根徑向脈動速度提升15.2～36.7 倍、3#均方根徑向脈動速度提升30.4～566.9 倍，4#均方根徑向脈動速度提升51.2～609.5 倍。

3.2.2 軸向速度

圖10 不同雷諾數(shù)下軸向速度分布Fig.10 Axial velocity distribution at different Reynolds numbers

流體邊界層的厚度及熱阻依賴于軸向速度的分布規(guī)律，更大的速度梯度有利于減小流動邊界層。圖10為不同雷諾數(shù)下4 種工況的軸向速度分布，均呈n 型分布，軸向速度由壁面區(qū)域(x/r=±1)向中心線( x/r =0)逐漸遞增，中心區(qū)域具有最大軸向速度。其中2#中顆粒在跟隨流體運動時，顆粒與顆粒、顆粒與壁面之間的相互碰撞，加大了對流場的擾動，使得整體的軸向速度均大于1#。3#中由于螺旋靠近壁面阻礙了流體流動，加大壁面區(qū)域的阻力，使得流體向阻力相對較小的中心區(qū)域流動，故在中心流域軸向速度大于工況1#，而壁面區(qū)域速度小于1#。4#中顆粒跟隨流體受螺旋導流作用后呈螺旋流旋轉(zhuǎn)向上運動，在離心力作用下向壁面運動，因此壁面處容易堆積一定數(shù)量顆粒，阻礙流體的運動，使得4#在近壁面區(qū)域流動阻力大于3#，中心流域流動阻力小于3#?？傊?，2#、3#、4#速度梯度均大于1#。

圖11 軸向脈動速度隨雷諾數(shù)變化關(guān)系Fig.11 Relationship between the axial fluctuation speed and the Reynolds number

為進一步量化分析4 種工況的軸向速度，計算出4 組雷諾數(shù)下4 組工況的均方根軸向脈動速度。由圖11 可知，隨著雷諾數(shù)增大，實驗觀察到3#、4#中螺旋由靜止逐漸開始往復運動，一直到螺旋往復運動逐漸穩(wěn)定；均方根軸向脈動速度呈先增后減趨勢，1#、2#隨著流體以及跟隨流體的顆粒運動更加劇烈，增長率呈一直上升趨勢。相比于工況1#，2#的均方根軸向速度波動提升11.2%～30.8%，3#的均方根軸向速度波動提升28.6%～47.6%，4#的均方根軸向速度波動提升41.5%～60.6%。脈動速度越大，流體運動越劇烈，對流動邊界層的削弱起到促進作用。

3.3 湍動能

湍動能是衡量流體湍動程度的重要指標。圖12 為式(2)計算出不同雷諾數(shù)下4 種工況的湍動能分布，在近壁面處具有最大湍動能，主要是因為在近壁面處流體速度有一個大幅度的提升，2#中顆粒與壁面的碰撞的過程中破壞了流動邊界層，加劇了近壁面區(qū)域的擾動。3#、4#流體呈螺旋流時，在離心力的作用下改變了流體的運動路徑，使得流體不斷向壁面運動，同時流體與壁面接觸后受到壁面的碰撞反彈作用后回流至中心區(qū)域，如此往復運動，對流體造成持續(xù)不斷的擾動，使得近壁面區(qū)域湍動能有著顯著的提高。4#在3#的基礎(chǔ)上，顆粒也跟隨流體由中心向壁面運動，然后又從壁面向中心往復運動，加大了流體擾動程度。在相同雷諾數(shù)下，2#、3#、4#湍動能均大于1#，并隨著雷諾數(shù)增加，湍動能也增加。

圖12 不同雷諾數(shù)下湍動能分布Fig.12 Turbulent energy distribution at different Reynolds numbers

為量化分析4 種工況下的湍動能分布，采用湍動能大小沿徑向進行積分得到平均湍動能，如圖13 所示，平均湍動能與雷諾數(shù)呈正相關(guān)，在相同雷諾數(shù)下，相比于1#，2#平均湍動能提升19.4%～23.1%、3#平均湍動能提升129.1%～163.9%，4#平均湍動能提升162.7%～254.6%，說明內(nèi)插螺旋液固兩相流加大了湍流強度，擾動程度變得越來越明顯，減薄了流動邊界層，可以促進強化傳熱效果。

圖13 平均湍動能隨雷諾數(shù)變化關(guān)系Fig.13 Relationship between the average turbulent energy and the Reynolds number

4 結(jié) 論

通過PIV 技術(shù)對內(nèi)插螺旋液固兩相流、液固兩相流、內(nèi)插螺旋及光管進行對比實驗研究，得到管內(nèi)流體的渦量場及速度場分布規(guī)律：

(1) 內(nèi)插螺旋液固兩相流在液固兩相流以及光管的基礎(chǔ)上使流體變?yōu)槁菪髁鲃樱瑴u量分布由管壁變?yōu)楸诿媾c螺旋絲徑接觸處；在內(nèi)插螺旋的基礎(chǔ)上加劇了螺旋流強度，渦量分布擴大到螺旋絲徑前后區(qū)域?？偲骄鶞u量為光管的1.21～1.36 倍。

(2) 內(nèi)插螺旋液固兩相流擁有最大徑向速度，平均徑向速度為光管的6.5～19.8 倍，徑向速度波動為光管的51～609 倍。且內(nèi)插螺旋液固兩相流比內(nèi)插螺旋具有更大的軸向速度梯度，軸向速度波動比光管增大41.5%～60.6%。

(3) 內(nèi)插螺旋液固兩相流在近壁面區(qū)域湍動能有顯著提高，湍動能比光管增大162.7%～254.6%，湍動能的提升可以促進邊界層流體交換，從而提高換熱效果。