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:123259
管内内插双斜杆的强化传热数值模拟及结构优化研究
周路遥贾晖刘伟
(华中科技大学能源与动力工程学院,湖北武汉 430074)
(Tel: 027-87542618 Email: w_******@hust.)
摘要:本文采用数值计算的方法,以水为流动介质,对管内插双斜杆的强化传热管进行流动与传热特征分析。结果表明,插入双斜杆导致换热管内的流体在流体核心及边界区域内同时扰动,并且形成双层的纵向旋流,因此能够有效提升换热管的换热综合性能(相对于光管,,阻力f增大2到5倍)。
关键词:双斜杆;数值模拟;强化传热;纵向旋流
0 引言
研究新型强化换热管一直是强化换热研究的重要领域,在近二十年得到了较大的发展。目前已研制开发出几十种,例如各类变径异形管、低肋管和低翅管,并部分得到成功的应用[1-2]。低肋表面强化换热的机理是壁面扰流和破坏层流底层,流体在流过横向凸肋时,在凸肋的前后产生回流。由于回流也就是横向涡易于衰减,因此必须使用相对较密集的横肋才能获得较好的强化换热效果,同时还由于横向涡的存在使主流速度变化较大,在强化换热的同时必定将带来较大的流动阻力增加。
而纵向涡流强化传热相对于横向涡强化传热具有在增强换热同时流阻增加不大的优点[3],因此近年来纵向涡流强化传热的性能和应用成为强化换热的研究热点之一。纵向涡强化传热是一种通过某种旋流元件或特定的装置使流体在换热空间产生涡旋流动的无源换热强化技术[4]。目前管内纵向涡旋换热强化技术有,管内插旋流装置[5-7],如扭曲带和管进口放置涡旋流发生器以及扭曲椭圆管等。管内进口涡旋流发生器存在易于堵塞的缺点,而且其换热强化主要存在于进口段,工程应用少见。扭曲椭圆管管内的湍流换热一般可提高30%-50%,阻力的增加与换热增强相当,其不足在于其结构较复杂以及其换热强化效果还不够突出,因而其应用也受到一定的限制。本文尝试一种新的管内插入物强化传热——管内插双斜杆强化传热,发现这种形式的管内插入物能够使流体形成一种双层旋流结构,并且在流体流动阻力增加不太大的情况下有效提高换热能力。
1 物理及数学模型
图1为内插双斜杆强化传热管的物理模型。水在管内壁流动,管长L=500mm,直径D=20mm,内插圆柱体直径d=2mm,长度l=5mm,平行分离角x=15°,垂直偏转角y=15°,内插圆柱体中心轴近点分离距离z=3mm,节距p=25mm。
,采用非结构化网格划分,计算前验证了网格独立性,入口温度与速度分布使用光管充分发展条件,雷诺数R=600,圆管壁面采用定热流的方式,热流Φ=10000W/m2。为了简化计算,对计算单元流道内流体的工况做如下假设:(1)流体的热物性参数如,,,等均为定值;(2)流动状态为稳态流动;(3)流体为不可压缩流体,各项同性,且为连续介质;(4)流体为牛顿流体;(5)忽略重力的影响。
根据计算单元的物理模型,单相不可压缩流体稳态流动的控制方程为:
*基金项目:国家自然科学基金资助项目(No. 51036003, 51021065)和教育部博士点基金()。
图1 双斜杆强化管的几何模型