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内插自振弹簧换热管流动与传热特性的数值模拟点击：1872 日期：[ 2014-04-26 21:53:48 ] |
| 内插自振弹簧换热管流动与传热特性的数值模拟 徐頔 熊雯 (武汉工程大学绿色化工过程省部共建教育部重点实验室) 摘要：对9种不同几何参数的内插自振弹簧换热管和光管的换热及其阻力特性进行了数值模拟。结果表明，内插自振弹簧换热管的存在增加了对流体流动的扰动，破坏了管内侧的层流层，起到了扰流的作用，提高了换热管的换热能力。内插自振弹簧换热管比光管的强化传热综合性能Nu/ξ1/3提高了1.03～3.21倍。内插自振弹簧换热管强化传热综合性能均优于光管。 关键词：换热器 内插自振弹簧 换热管 传热 数值模拟 0·前言 内插自振弹簧换热管由于具有强化传热效果，因此也被越来越多地应用于管壳式换热器中。在强化传热管研究方面，数值模拟被广泛应用［1－4］。但在对内插物强化传热的研究中，由于内插物结构各异、形式多样、不易建模的特点，数值模拟应用较少。现对自振弹簧管程流动与传热特性进行模拟，以期对实际应用提供依据。 1·几何模型 共采用9种内插不同尺寸的自振弹簧的换热管和1种光管进行对比试验，自振弹簧的尺寸见表1。 试验所用换热管的长度为1800 mm，壁厚为0.8 mm，材质为0Cr18Ni9，数量为1根。光管规格25 mm×0.8 mm。 2·数学模型 在数值模拟时，为了最大限度地利用有限的计算资源以使求解能够进行，并获得快速稳定的收敛解，通常需要在分析前作一些适当的简化假设: (1)由于本文研究的是内插自振弹簧换热管内流动时的传热与流动特性，所以，认为管内流动为非稳态流动;(2)由于管内流速不是很高，流动介质(水)的压力变化不是很大，因而其密度随压力的变化也不大，故可将水视为不可压缩流体;(3)内插自振弹簧换热器管内的流动有轴向流、径向流和周向流，同时又考虑到自振弹簧自身的结构特点，所以，必须假设管内流动为三维流动，若假设为二维轴对称流动，会很大程度上影响管内流场分布及流动状况的真实性，对传热效果的分析会有很大的影响;(4)忽略管内流体质量力。 在三维正交的笛卡尔坐标系下，管程流体的流动和热量传递必须满足以下几个控制方程［5］。 由于标准κ－ε湍流模型只适合完全湍流的流动过程模拟，本试验中管程流动都在完全湍流区。 3·计算模型和边界条件 三维网格的划分较二维网格更为困难，本试验中的自振弹簧具有端面小且弹簧自由高度较长的结构尺寸特点，再加弹簧的螺旋结构，这都给网格的划分带来困难。反复尝试得出:弹簧网格类型选用Tet/Hybird，划分方式选用Cooper方式。最终局部计算网格图如图1所示。 入口速度边界:定义入口为速度入口边界;入口温度边界:定义内插自振弹簧换热管入口流体温度为60℃;出口边界是压力出口边界;定义内插自振弹簧换热管的壁面是无渗透、无滑移的静止刚性壁面，壁面温度恒定为20℃。弹簧边界条件用墙边界。 利用有限体积法离散方程，非耦合的非稳态隐式格式求解。采用标准κ－ε湍流模型计算模拟管内湍流时的传热和流动情况。压力与速度的耦合计算采用SIMPLE方法［5］，对流项采用一阶迎风格式，定义收敛条件为残差绝对值小于1×10－6。 4·计算结果及讨论 4.1流动特性分析 对9种规格的内插自振弹簧换热管和光管在不同初速下的速度场和压力场进行了大量的模拟计算，并经过可视化处理以等值线和坐标曲线图的形式表现出来。本文只以9#内插自振弹簧换热管为例对计算区域进行说明，其他内插自振弹簧换热管有着相似的分布律。 4.1.1 4种速度下的速度场及压力场 初速分别为0.5 m/s、1 m/s、1.5 m/s和2.0m/s，管道流体的压力场分布和速度场分布分别如图2、图3所示。 由图2、图3可知，流体从入口处起都要经历一定的流动长度才能达到流动的充分发展阶段，管程流体在此阶段流动时会受到内插自振弹簧的阻碍、引导而产生螺旋流动，这种螺旋环流和弹簧后的回流或漩涡脱离的共同作用，使自振弹簧发生随机振动，又由于螺旋环流的流体给弹簧的反作用力的切向分量，形成与螺旋环流反向的工作力矩，驱使弹簧连续振动。这些都会使流体边界层减薄，促进湍流核心流体与边界层内流体的混合来强化传热。 4.2管内强化传热特性分析 4.2.1内插自振弹簧换热管与光管的传热数值分析 4.2.2场协同分析 分别模拟内插自振弹簧换热管和光管在相同初速v=2 m/s下的速度和温度等值图。为了清楚地说明，选择截面y=0.02 mm，如图5所示，在光管内流体流动在完全湍流区，速度剖面分布呈现为速度梯度垂直于壁面。速度矢量主要沿着轴线方向，同时等温线也基本平行于轴线，即此时速度矢量与温度梯度矢量二者的夹角接近90°，说明二者的协同性较差。所以能量方程中源项(即对流项)近似为零，该对流传热问题几乎退化为无源的纯导热问题［3］。 对于内插自振弹簧换热管，从管内的速度和温度等值线图可以看出(如图6所示)，流体主流沿轴向的温度梯度较大，说明温度梯度矢量和速度矢量的夹角偏离90°更大，流场和速度场的协同性更好，从而实现强化传热。 5·结论 (1)自振弹簧的振动作用与管程流体形成二次流，可增强管程中流体的湍流化程度，使内插自振弹簧换热管具有较好的传热效果。 (4)结合数值模拟和场协同原则得出，在光管管内速度矢量与温度矢量两者之间的夹角接近，传热效果较差;在内插自振弹簧换热管内，两者的夹角小于90°，流场和温度场的协同性更好，从而实现了强化传热。 参考文献 ［1］董珊，刘殿殿，吴永红，等.管内插入物单相流体强化传热的实验研究［J］.热能动力工程，1990，5(l):31－35. ［2］张至英，戴干策.管内插入螺旋线圈强化传热的研究［J］.化工装备技术，1991，12(4):10－15. ［3］孟祥春.管内插入螺旋丝强化传热的研究［J］.化工装备技术，1991，12(5):8－13. ［4］王勤获.管内弹簧插入物在线污垢清洗与强化传热技术［J］.炼油设计，1994，24(3):57－62. ［5］王福军.计算流体动力学分析—CFD软件原理与应用［M］.北京:清华大学出版社，2004． |
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