文档介绍：中国工程热物理学会学科类别:传热传质学
学术会议论文编号:123296
螺旋内肋管换热及流体流动数值研究基金项目:中国博士后科学基金项目(20100471002),中国博士后科学基金特别资助项目(201104400)
靳遵龙,王珂,李水云,刘敏珊
(郑州大学河南省过程传热与节能重点实验室,郑州 450002)
(Tel:0371-63887823, Email:******@zzu.)
摘要:利用CFD技术,针对螺旋内肋管的不同结构参数,对不同螺距、螺旋角和肋高等27组结构进行数值研究,详细分析了各个结构参数对流体流动及换热的影响。结果表明,适当减小螺距可有效提高管侧对流换热能力,同时伴随着阻力降增大,但是换热性能对雷诺数的增长趋势更为明显,综合性能趋势向好。随着肋高的增大,在高雷诺数区域强化管的换热性能随肋高的增加变化得更为明显,且摩擦系数增加的比例与肋高增加的比例大致相当。拟合了螺旋内肋管换热及阻力性能公式,同时对强化管综合性能做出评价。
关键词:螺旋内肋管;换热;流体流动;数值研究
0 前言
内螺纹管是一种在管内壁上设置螺旋型螺纹的高效无源强化换热管,目前在石油化工、动力工程和制冷等行业中得到广泛应用[1]。当单相流体在内螺纹管管内流动时,在近似轴向周期性螺纹突起的作用下,迫使管内流体产生周期性的旋转扰动,有利于减薄边界层,降低边界层传热热阻。近似轴向的流体旋转运动,减小了主体流体速度与热流矢量之间的夹角,改善了速度场与热流场的协同程度。流体与管内壁面进行换热时,所进行的热量传递主要是由分子的导热与湍流输运共同完成。在近壁面附近,边界层热阻占总传热热阻的70%[2]。因此,流体旋转扰动所造成的边界层减薄降低了传热热阻。并且,管内的螺纹突起使流体产生流动脱离区,形成湍流漩涡,从而强化了传热[3]。
国内外许多研究者对内螺纹强化换热管进行了卓有成效的研究。但是,由于所研究的内螺纹管的材质、结构参数、加工方法及研究手段的不同,所得结论也不尽相同。Lixin Cheng & Tingkuan Chen [4]通过实验证实,,,并给出了内螺纹管的努塞儿数及阻力系数关联式,该关联式并没有体现出结构参数对传热及压降的影响。Wentao Ji 等人[5]在假设强化系数为1的基础上,依据Gnielinski公式[6],推导出了Gnielinski扩展公式,用来预测内螺纹管强化传热。该扩展公式的计算结果与440组实验数据进行了对比,最大误差为40%左右。刘湘云等人[7]用实验手段研究了内肋管不同肋高及不同肋条数对管内流体流动与换热特性的影响,研究结果表明管内换热得到强化,同时也伴随着阻力损失增大,没有给出相应的关联式。以上众多研究较多采用实验手段,很难获得管内流体流动及换热的细观信息。本文采用数值方法,利用CFD技术,针对内螺纹管的不同结构参数,对不同螺距、螺旋角和肋高等27组结构进行数值研究,详细分析了各个结构参数对流体流动及换热的影响,并以研究结果为基础,拟合了内螺纹管换热及阻力性能公式,同时对强化管综合性能做出评价。
1物理及数学模型
物理模型
从物理结构上看,内螺纹管管内流道呈周期性变化。对其管内流体流动与换热进行数值模拟,建模时可利用周期性结