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螺旋折流板换热管水力损失数值模拟及实验点击：1738 日期：[ 2014-04-26 21:14:28 ] |
| 螺旋折流板换热管水力损失数值模拟及实验 刘 鑫1,鞠小明2,陈云良1 (1四川大学水利水电学院;2水力学与山区河流开发保护国家重点实验室,四川成都610065) 摘要：提出了一种连续螺旋折流板换热管,对其内部流场进行了数值模拟,并进行了物理模型实验验证。得到了螺旋折流板换热管的水力损失系数变化规律,数值模拟结果与实验研究结果具有很好的一致性。影响螺旋折流板水力损失的主要因素是螺旋角,相同螺旋角的折流板换热管水力损失变化规律基本相同。对于一定管径的螺旋折流板换热管,存在水力损失系数最小的最优螺距,也就是存在水力损失最小的最优螺旋角。 关键词：螺旋折流板换热管;水力损失;数值模拟 中图分类号：TQ 021·1 文献标识码：A 文章编号：0438-1157 (2009) 05-1092-05 引 言 换热器是水电、化工等工程领域中最广泛应用的设备之一,大部分管壳式换热器采用的是传统的沿换热管轴向流动的方式,它易结垢、难清洗、易振动。连续螺旋折流板换热管,简称螺旋管,是用一个平板以直径为放样曲线放样成空间曲面,装到散热管中间,水流将沿着折流板的两侧与管壁所夹的空间以螺旋线的路径流动,从而使换热管中既有轴向流动,又有周向流动,提高了换热效果,避免了换热管结垢。折流板是双螺旋结构,外形类似于螺旋纽带。关于折流板和螺旋纽带的性能,国内外有部分研究。李斌等[1]归纳了传热系数和螺距的计算公式,王良等[2]研究了螺旋角度对于换热的影响。目前折流板形式比较繁多,文献都有涉及[3-4]。对于转动螺旋纽带,主要研究集中在清洗力矩方面[5-6],其形状与本文的折流板相似,但工作方式不同。关于螺旋折流板换热管阻力研究的文献资料甚少。对于电站冷却系统的换热器,期望在保证良好换热性能的前提下,尽量减小换热管的水力损失,以降低循环水泵的功率,达到节约能源的目的。为此,本文对连续型螺旋折流板换热管进行了流场数值模拟,并同步进行了换热管的阻力实验研究,对数值模拟结果与实验研究结果进行了对比分析,两者具有很好的一致性。得到了螺旋折流板换热管存在水力损失系数最小的最优螺旋角的结论。给出了该换热管的水力损失系数变化规律,研究了螺旋折流板换热管内部流速和压力分布,为电站换热器采用螺旋折流板换热管提供了理论和实验依据。 1 数值模拟基本方程 1·1 质量守恒定律(连续方程) 连续性方程可以表述为: 2 模型网格及边界条件 模型采用AutoCAD2007的“放样”功能进行曲面建模。折流板曲面由螺旋线导向的直线进行放样曲面而形成,放样直线的长度就是折流板的宽度,它等于螺旋管的直径,而螺旋线的尺寸由对比实验用的实际折流板的螺距确定,设r为管径,螺距为L,螺旋角为θ,则 折流板的两侧是两个相互独立的流道,只在进口与出口流体相互混掺,流场呈完全的中心对称分布,只需计算一个流道。将进出口适当延伸形成充分发展段,就得到一个单流道流体区域模型,如图1所示。在一个单独流道中,壳侧非均匀流速的流体斜向冲刷换热管,使边界层减薄及分离[2],强化了换热效果。文献普遍认为折流板内部流场能够促使边界层减薄[9-10],文献计算中,对于折流板近壁边界层都没有考虑[11]。 网格的形式与数量根据模型实际尺寸自适应选取,使用混合网格,数量在10万左右。计算中将网格加密,发现结果变化不大。 计算区域采用以下主要边界条件。 (1)速度进口边界条件水流在进入螺旋管的第一个螺旋区前,流体速度在管径截面上是均匀分布的,考虑到折流板进口边对流场的扰动,在进口前增加发展段计算区,使得边界条件的设定避开进口边的扰动。在进口处,有 (2)压力出口边界条件 研究初始阶段将流量连续性条件设置为出口条件,发现流场计算收敛速度比较慢,而且出口压力分布也基本均匀。出口设置为压力边界能获得比较快的收敛速度,所以设置压力出口条件 p = pout(8) (3)壁面边界条件 参照文献,流场的其他边界均设置成不可渗透、无滑移边界[11-12],尤其是进出口发展段,尽量保持进出口流速的方向比较理想。根据文献资料,双方程模型的进口处紊动能κ和耗散率ε按照下面的经验公式定义[8] 其中,Uin为进口速度,H0为进口压力水头,在计算中拟定,对结果影响不大。 3 流场计算结果及分析 选取同一直径不同螺距的多个螺旋管进行计算,结果表明,螺旋折流板换热管的流场空间分布具有一定的规律性[图2 (a)]:折流板板面上径向压力梯度与速度梯度均较大,沿程水头损失所占比例较小,计算发现,壁面糙率对计算结果影响很小。观察螺旋折流板换热管沿管长的流速分布,在任何一个区域不存在回流和速度死区,因而能有效减小水头损失。在折流板曲面中央位置,流速较大,压力较小;在折流板两侧螺旋线与管道连接的位置,流速较小,压力较大,断面参数分布极不均匀。在螺距较小时,螺旋管的水头损失很可能主要是由断面参数分布不均匀引起。由于折流板断面上径向流速和压力梯度的存在,造成了流束之间的相互影响,这种影响表现在以下两个方面。 (1)螺距较小,径向压力和速度梯度越大,流束影响程度越大。通过对不同螺距尺寸的螺旋管计算发现,随着螺距的减小,压力梯度和速度梯度都有不同程度的增大,因而螺距减小会导致螺旋折流板换热管水力损失系数增加(图3)。 (2)螺距过长,流束之间相互影响时间越长,流束影响程度越大。在一个螺距的空间里,如果压力梯度不大,但流束之间相互影响的时间很长,也可以导致损失增加。影响时间t可以按照上面的沿程损失计算长度和流体平均速度v来确定,即水流通过一个螺距的平均时间: 在流速v保持不变的前提下,影响时间t随螺距L增加而递增。也就是说,损失也将随螺距增大而增大。但当螺距继续增大,损失系数将会逐渐趋于整个折流板的局部损失系数,并不会无限增大,螺距为100 cm时的计算损失系数为1·8,压力分布曲线见图4,在径向已经基本没有太大的压力梯度。 计算结果显示,水力损失系数与螺距的关系曲线呈下凹形状,在小螺距区域,水力损失系数随螺距增大而减小,而在大螺距区域,水力损失系数随螺距增大而增大,最小水力损失系数对应的螺距就是最优螺距,本算例理论计算的最优螺距约为36cm (图5)。 进一步的研究表明,螺旋角相同的不同直径螺旋管,其水力损失系数变化规律基本相同,如图3所示,说明螺旋角是决定螺旋折流板换热管水力损失的重要因素。 4 螺旋折流板换热管阻力实验研究 为了验证数值计算的成果,采用有机玻璃加工了7个管径为5 cm,螺距分别为22·34、29·26、36·18、43·16、51·14、61·20、64·62 cm的折流板换热管模型,在模型实验装置上实测了7个螺旋管的单个螺距的水力损失系数。 4·1 实验设备 模型实验装置如图6所示,用不同螺距的折流板换热管分别进行阻力实验研究,压力测点之间距离为186 cm,采用直角三角堰测量流量,水泵循环供水。 4·2 实验结果及分析 对每个不同螺距的折流板换热管进行15组实验,然后对损失系数取平均值,并除以螺距的数量,得到单个螺距的平均损失系数。式中 Δh为换热管两测点间的压降;v为换热管内平均流速,实验结果见表1。 由表可见,螺旋折流板换热管的损失系数与理论计算变化趋势相同(图5)。在小螺距时实验结果与理论计算数值更加吻合,大螺距时实验数值与理论计算值略有偏离。实验最优螺距近似为35·5cm,与理论计算值十分接近。引起误差的原因可能是计算模型在多螺距情况下进出口损失对每个螺距的损失系数影响较小,而大螺距情况下,螺距数比较少,进出口损失对每个螺距的损失系数影响较大,使得计算值略小于实验值。若实验用螺旋管的螺旋数越多,则进出口对实验结果的影响将越小。实际应用的折流板换热管螺旋数较多,因此理论计算中的处理方式是可行的。 5 结 论 (1)研究得到了螺旋折流板换热管的水力损失系数变化规律,数值模拟结果和实验结果有很好的一致性,说明采用RNGκ-ε双方程模型对螺旋折流板换热管进行流场模拟是合适的。 (2)螺旋折流板换热管的水力损失系数与螺旋角及螺距有关,对于一定管径的螺旋管,存在水力损失系数最小的最优螺距。 (3)螺旋角是决定螺旋折流板换热管水力损失的重要因素,相同螺旋角的不同直径螺旋管,水力损失变化规律基本相同。 参考文献：略 |
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