文档介绍：中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号:
波节管流动与传热特性三维数值模拟研究
于碧勇,李凤臣,李炳熙,韩怀志
(哈尔滨工业大学,能源科学与工程学院456信箱,哈尔滨 150001)
(Tel: 0451-86412155, Email: yubiyong@)
摘要:本文针对波节管高效换热元件中纵向顺逆流换热的传热特性和阻力特性进行k-ε三维数值模拟研究。传热工质在管程和壳程分别为氦气和氮气,管束布置采用三角形布置。考察了不同氦气和氮气流量下换热量Q和压力降ΔP在波节管中的变化规律。最后,分析了不同凸起高度下波节管壳侧流动和传热的变化规律。数值模拟结果表明相同工况下波节管中逆流换热明显大于顺流换热,增大管间距会使壳程的压力降大幅度降低,但换热量也有一定程度减小。当凸起高度h=1时,涡旋区域达到最大,此时强化换热效果最好。
关键词:波节管 k-ε模型凸起高度强化换热
0 前言
近些年,国内外对波纹管的研究越来越多,Pethkool, Eiamsa-ard[1]等通过实验研究了波纹管内单相湍流强化对流换热,考虑了三种波距与管径比和三种肋高与管径比对波纹管强化传热的影响。Aroonrat和Wongwises [2]通过实验研究了R-134a在波纹管和光管内蒸发时传热系数和阻力降。波节管是波纹管的一种,是一种特殊形状的缩放管,是以普通圆管为基管,通过液压成型的方式挤出一个个圆弧凸起,形成由弧形段和直管段交替变化组成的波节型通道,在1990年由中国的郎奎提出[3],波节管通过波形内的扰动提高管内外流体紊流的脉动性,促进湍流度的增加,另外直线段起着“积累能量”的作用,是不可缺少的。这种高效换热管应用在很多行业,煤气站汽化、电厂首战、油田输油管道加热、储藏设备制冷、宾馆、居民楼供生活用水、海水热交换等。波节管近些年在国内开展得比较多,武汉工程大学的徐建民,胡郑重[4,5]对3种不同规格波节管进行了模拟,从微观上说明了波节管的强化传热机理。波节管中层流的传热和流动特性数值模拟已经有了比较系统的研究[6,7]。
对管内湍流流动,通常采用k-ε模型对其进行数值模拟研究。如Tae Seon Park[8]等采用非线性k-ε-fu模型对波状壁面管道内的流动与传热进行了模拟研究,模拟结果与采用DNS模型的结果基本吻合。Hong Gang Hu和Chao Zhang[9]采用了一种修正的k-ε湍流模型对冷凝器中两相流的传热进行了模拟研究,计算结果与实验结果的对比表明k-ε模型十分有效。. Hafez等[10]对具有波状壁面的充分发展流采用k-ε模型进行了研究,并且与DNS模拟结果和实验结果同时进行了对比分析,发现k-ε模型不但保证了计算的准确性,也减少了计算量,这对工程应用方面的研究十分有价值。本文主要通过机理分析研究了波纹高度对内部流动及传热的影响,并确定了最佳波高。
1 模型建立
物理模型
(a)管束单元侧视剖面图(b)波节管正视剖面图
D圆管直径;L-波距;E-直管长度;R-大圆弧半径;r-小圆弧半径;H-顶入深度,S-管间距
图1 波节管几何结构示意图
换热器内的波节管强化换热元件的几何结构如图1所示,管束布置采用三角形布置,取其中的一个单元分析,每个单元的壳程周围是一个等六边形形状如图1(a)所示,包括管间