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塑料斜齿平带管内三维流动及强化传热的数值模拟点击：1806 日期：[ 2014-04-26 21:35:52 ] |
| 塑料斜齿平带管内三维流动及强化传热的数值模拟 舒均杰1,李群松1,俞天兰2,刘跃进3,彭德其2 (1·湖南省化工职业技术学院,湖南株洲412004;2·湖南工业大学机械清洗研究所,湖南株洲412008;3·湘潭大学化工学院,湖南湘潭411105) 摘要:利用Fluent 6·2及辅助软件对传热管内置带旋流口的塑料椭圆斜齿平带的流体流动及强化传热进行了计算机三维数值模拟,分析并比较了光管与有内置椭圆斜齿塑料平带的情况下管内流速、湍流度以及对流传热系数的分布改善情况。结果表明:平带管内流体的流动是以螺旋流动为主的复杂的三维流动;由于平带的扰流作用,使得平带管内流速、湍流强度得到了很大程度的提高,有效抑制了管内壁污垢的沉积,强化了传热,平带管内侧的平均传热系数较光管提高了45%,平带所带来的管路压降在工程许可的范围内,适用于流速低于0·8m·s-1的换热器中。 关键词:斜齿平带; RNGk-ε模型;数值模拟;强化传热 中图分类号:TK 124 文献标识码: A文章编号:0438-1157 (2009) 08-1926-06 引 言 换热管内强化传热和减少结垢的研究和性能提高一直是国内外研究的热点,在现有的在线、自动、连续清洗技术研究中,有螺旋丝、螺旋线管、扭带等。带有旋流口椭圆斜齿的塑料平带是一种创新型结构,它具备在线、连续自动清洗管内污垢及强化传热的功能,由于其特殊的斜齿及旋流口结构,使得平带所需驱动力矩极小,能适用于大多数低流速换热设备[1-2],其工作原理如图1所示。 在每根换热管的流体进口端安装一根斜齿塑料平带,利用流体自身的动能使平带旋转,旋转的平带不断刮扫和撞击管内壁,从而达到清洗管内污垢、抑制污垢沉积的目的。同时自转平带频繁扰动边界滞流层,使管内对流传热过程中热阻最大的边界滞流层的传热过程得到了有效的强化[1],流体湍流度提高,并以此达到降低能耗、提高生产能力的目的。文献[2]对平带斜齿所产生的阻力作了比较试验,结果表明:在低流速换热器中,流体阻力在工程容许的范围之内,因而它有着广阔的应用前景[2-4]。 在研究方法上以往大多以试验为主,对于复杂的管流,人们对于流场的认识也仅仅能从理论上作出解释,而确切掌握流场的特性,对于了解其传热强化机理非常重要。本文采用RNGk-ε湍流模型[5]对带有旋流口的椭圆斜齿塑料平带进行了计算机三维数值模拟,与文献[6]所研究的对象不同,并且从几何建模至网格的划分,难度均比较大。管内斜齿平带强化传热的三维数值模拟国内外尚未见报道。 1·模型的建立 1·1 数学模型 由于平带管内流场较光管、扭带管复杂,各向速度、湍流度变化幅度比较大,故采用RNGk-ε湍流模型进行计算。该模型来源于严格的统计技术,它和标准k-ε模型很相似,但是有其自身的特点。RNG理论提供了一个考虑低Reynolds数流动黏性的解析公式,并在ε方程中加了一个条件,有效改善了精度。它还考虑了湍流旋涡,提高了在这方面的计算精度。另外该模型在强流线弯曲、旋涡和旋转预报能力方面得到了明显的加强[7-9],所有这些特点使得RNGk-ε模型比标准的k-ε模型及其他湍流模型在更广泛的流动中具有更高的可信度和精度,尽管最新出现的带旋流修正的k-ε模型在各方面均有比较好的表现,但到目前为止还没有确凿的证据表明它比RNGk-ε模型更好。 RNGk-ε模型中湍流动能k及湍流动能耗散率ε的双方程如下： 式(2)中Rε作为附加生成项代表平均应变率对ε的影响。因该项的存在,使得RNGk-ε模型比标准的k-ε模型对瞬变流和流线弯曲影响的预报能力大大加强： 1·2 几何模型及参数 忽略图1中管口轴承装置,在三维软件Pro/e中建立平带的三维几何模型,由于本文要研究的是管内流体,因此在建模时只需要将管内平带部分画出即可,管壁可不建模。然后以stp文件格式输出至Gambit中进行模型的修补完善,以管内直径建立一与平带同轴圆柱体,并与平带实体进行布尔(相减)运算,再对最后生成的实体进行网格划分。 图2 (a)为所建几何模型,图2 (b)为局部网格放大图。根据文献[10]各参数的设定如下:换热管内直径D=36 mm,计算取样长度L1=550 mm,管内塑料平带宽度B=30 mm,平带长度L2=500mm,平带厚度h=2 mm,齿间距T=120 mm,旋流口与斜齿紧邻,旋流口面积大小为管内横截面面积的50%,斜齿安装角度(椭圆长轴与管子直径方向的夹角)γ=35°(见图1)。 2·数值模拟 2·1 前提条件 在计算过程中假设:①入口处不存在旋流装置,为便于比较,距离入口处50 mm才设有斜齿平带(已在模型中体现);②平带为一刚性构件,在工作时不存在摆动及变形的现象。 2·2 计算方法 采用Fluent 6·2流体分析软件对安装有带旋流口的斜齿塑料平带的管内流体进行三维数值模拟。使用三维隐式分离求解器,控制方程的离散采用有限单元体积法,各标量的离散值采用单元中心点存储,动量分量、湍动能分量和耗散率均采用具有二阶精度的二阶迎风插值格式;压力、速度耦合采用SIMPLEC算法。 2·3 边界条件设置 (1)流体进口边界条件 管内流体为水,进口速度Uin=0·8 m·s-1,进口温度Tin=300 K。对于完全发展的管流,其湍流强度I= 0·16(ReDH)-1/8(DH为水力直径,对完全发展的管流,DH=D),ReDH为按水力直径DH计算得到的Reynolds数： (2)流体出口边界条件 采用压力出口条件,设定出口压力0·6 MPa,出口回流也采用湍流强度及水力直径法。 (3)管内壁面边界条件 管内壁壁面采用无滑移的固定壁面,为恒温加热,取温度TW=370 K。 (4)设定平带壁面为绝热边界条件,即热流为零,两者均无生成热,与流体的相对旋转速度n=0 r·min-1。 (5)流体部分绕管中心轴线(y轴)的旋转速度由试验测量确定,n=150 r·min-1。 2·4 模型网格及其参数 计算区域取整个模型范围,y方向为管子的轴向。网格的划分采用Tet/Hybrid, Type项选择TGrid单元,计384303个单元。在管内壁和平带壁设置边界层,第一层网格为0·15 mm,随后以1·2的比例增长,计4层,其余网格大小均设置为2 mm,多次数值模拟的结果对比表明,据此划分网格能确保数值模拟结果准确。 3·计算结果及比较 3·1 管内流线分布 经过300次迭代计算,x、y、z三向速度、湍流能量等各项数据指标与迭代5次时的残差值比较下降了近3个数量级,并继续呈稳定下降趋势,但变化值已经很小,监视显示均已收敛。从流线比较图3可以看出:由于管内安装了非轴对称的塑料斜齿平带,与塑料扭带相比管内流体不再呈规整的螺旋线[6],而未装平带段部分流线较为规整。管内流体的流动是以螺旋线为主的、复杂的、不规则的三维流动,与光管相比,流体的湍动程度显著增大。 3·2 速度场的分布 在平带管及光管的各个高度处取截面,并分别将各个截面的速度绘制成图4。从图中可以看出在光管内流体速度在管壁附近由于滞流层的缘故速度较小,而在滞流层外流速基本一致,在管中心处最大(最大值约为0·88 m·s-1),与理论分析结果一致;而平带管内,由于平带的扰流作用,边界层减薄,在靠近管壁处可以得到较大的流速(管壁处也达到了0·27 m·s-1),在管中心位置流体速度低于光管流速,但也只是一个较小的区域,而在平带与管壁的空隙处获得了比较大的流速。图5是各高度截面处的切向速度分布。由图可知:在平带管内存在较大的切向速度,尽管光管内也存在,但其值均远远小于平带,几乎接近于0。 管内轴向(y向)速度的分布也是在平带管与光管中取几个轴向截面来说明,如图6所示。由图可以看出:在管中心(平带回转)很小的区域内流体流速小于光管,而在其他区域平带管的流速明显比光管的大(因建模的原因,入口速度是沿y轴负方向,所以出现负值),在平带与管壁的间隙区域流体的轴向速度达最大值。近管壁区域流速的增大,有利于边界层的减薄,强化传热。 3·3 湍流度的分布 正是由于平带的扰流作用,管内流体的湍流程度较光管有大幅度的增大。分别在平带管及光管的轴向位置y=170、350 mm处取截面,得出各截面上流体湍流强度分布图(图7)。从图中可以看出:对平带管而言,由于平带的扰动,管内湍流度在管中心区域明显增大,且平带管的任何横截面处的湍流强度都比光管的大。在170 mm截面处I最大达到0·135。由于斜齿平带为非轴对称结构,因此其湍流强度的分布没有规律;而在光管情况下,不同横截面沿直径方向湍流度的分布规律基本上一致,由于管壁热边界的影响,均是随半径的增大而呈增大的趋势。 3·4 传热系数的分布 在管子轴向(y向) 110、170、350 mm高度处分别取截面,得出平带管与光管指定截面处管壁面的传热系数K的比较图(图8)。从图中可以看出:平带管由于平带的扰流作用传热系数K明显大于光管。经计算,光管壁面K的平均值为2898·95 W·m-2·K-1,平带管壁面K的平均值为4205·15 W·m-2·K-1,比空管提高近45%,是光滑扭带的1·2倍[12],比5#样带实验测量平均提高的54%低得较多[2]。基本原因在于计算模型样带的齿距120 mm,比5#样带齿距70 mm大得多所致。 4·管内流体流动压降 4·1 平带阻力分析 由于管内平带的存在,会对流体产生一定的阻力,为此对各种平带进行流体阻力对比试验。5种类型的平带分别为1#、2#、3#、4#、5#(齿距/斜齿安装角度分别为60 mm/45°、90 mm/25°、90mm/35°、60 mm/35°、75 mm/35°)。 试验中两测量点之间的距离为800 mm,采用WP-DO22P3M2B3型智能差压仪测量。考虑工程应用的简便,将试验结果表示为每米带的阻力,得出试验曲线如图9所示。由图可以看出, 3#、4#、5#阻力大小顺序为4#>5#>3#; 2#、3#带子的齿距同为90 mm,但是3#带的齿斜角大, 3#带的阻力大于2#带。所以,齿距越小,阻力越大;齿斜角越大,阻力越大。 这种结构的平带是专为较低流速(0·8 m·s-1以下)的传热管研制的。在此流速范围内应用,即使阻力最大的4#带,在流速0·75 m·s-1时,对4管程、传热管长度为6 m的设备,总阻力也只有0·08 MPa。显然,在一般工程应用的容许范围内[2]。 4·2 平带管内阻力模拟分析结果 水平放置的管道若无外功加入,则进出口截面压差的绝对值等同于此两截面之间的管路阻力损失。模拟采用的平带齿距T=120 mm,安装斜角为35°,通过Fluent数值模拟,从输出报告可知:在流速0·80 m·s-1时,平带管进口压力为0·602MPa,出口处为0·6 MPa,则压差(即压降)Δp=0·002 MPa,每米带的压降为0·0036 MPa,与图9的3#试样的试验结果接近。图10为平带管进出口压降云图,左端为进口。 5·结 论 (1)由于斜齿平带是非轴对称构件,因此管内流体的流动是以螺旋线为主的复杂的、不规则的三维流动,与光管、扭带管均不相同。 (2)平带管内速度场分布与光管相比发生了根本性的变化。平带管内存在较大的轴向、切向速度,而光管内的切向速度几乎为0。在平带管近管壁区域轴向(y向)速度的增大,有利于减薄边界层;在平带与管壁环缝区域,流体也有明显的切向运动,平带管的切向速度比光管随机的切向运动速度呈数量级增长;流体切向速度的增大有利于加强流体的径向混合,从而使对流换热过程得到强化。 (3)平带管中由于平带的扰动,增大了管内流体的湍流强度,有利于对流传热过程的强化,其分布没有规律,且平带管的任何横截面处的湍流强度都比光管相应截面处的湍流强度要大;光管中湍流强度呈规律性分布。 (4)旋流口椭圆齿平带的传热强化效果很好,平带管壁面的平均表面传热系数比光管的大,管内侧表面传热系数比光管提高近45%。 (5)旋流口椭圆斜齿平带的管道阻力在一般工程容许的范围内,因而在数量众多的低流速(低于0·8 m·s-1)换热器中有着广阔的应用前景。 参考文献：略 |
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