內(nèi)插自振彈簧換熱管脈沖流強(qiáng)化換熱數(shù)值分析

徐建民，胡小霞，彭 坤，余海燕，黃 偉

(武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430205)

0 引 言

大量研究發(fā)現(xiàn)，直通道中脈沖流動(dòng)強(qiáng)化換熱傳質(zhì)作用很小，但對(duì)于通道中有周期性幾何結(jié)構(gòu)時(shí)，情形不同[7].流體的擾動(dòng)和摻混是強(qiáng)化傳熱、傳質(zhì)的一個(gè)主要因素，利用脈動(dòng)流動(dòng)技術(shù)能夠顯著的增強(qiáng)流體擾動(dòng)和相互摻混，從而達(dá)到強(qiáng)化傳熱的目的[8-10].

本文擬應(yīng)用Fluent 6.3軟件對(duì)等壁溫條件下，內(nèi)插自振彈簧換熱管中分別通入穩(wěn)態(tài)流和脈沖流時(shí)，管內(nèi)的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng).進(jìn)而分析不同參數(shù)的脈動(dòng)流對(duì)內(nèi)插自振彈簧強(qiáng)化換熱的影響.

1 計(jì)算模型及邊界條件

在數(shù)值模擬計(jì)算中，由于內(nèi)插自振彈簧換熱管管內(nèi)的流體流動(dòng)有軸向流、徑向流和周向流，又因彈簧自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，所以對(duì)內(nèi)插自振彈簧進(jìn)行三維建模.取彈簧長(zhǎng)l′=300 mm，節(jié)距p=6 mm，彈簧圈圈直徑d=15 mm，彈簧絲直徑e=1.0 mm，換熱管長(zhǎng)l=500 mm，換熱管內(nèi)徑D=22 mm，如圖1所示.為了便于計(jì)算和建模，管壁厚度為零，溫度恒定為293 K，彈簧壁面溫度恒定為293 K，流體工作介質(zhì)為水，溫度為333 K.

圖1 換熱管內(nèi)插自振彈簧示意圖Fig.1 Schematic diagram of self-vibration springheat exchange tubes within the interpolation

該模型的網(wǎng)格劃分如圖2所示.計(jì)算時(shí)選用離散格式，壓力與速度的耦合計(jì)算采用SIMPLEC方法，壓力計(jì)算采用STANDARD，忽略重力的作用，對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式[11].流體入口定義為速度輸入，并通過UDF輸入正弦脈沖流動(dòng)如式(1)，出口定義為壓力出口.

v=v0+v0Asin 2πft

(1)

式(1)中：v為脈沖流瞬態(tài)入口速度(m/s)，v0為穩(wěn)態(tài)流速度(m/s)，A為脈沖流振幅，f為脈沖流頻率.顯然，當(dāng)A=0時(shí)，演變?yōu)榉€(wěn)態(tài)流.計(jì)算時(shí)，取v0=0.05 m/s，f分別取2, 4, 6, 8, 10(Hz),A分別取0.1 ,0.3, 0.5, 0.7, 1.0(mm)，并設(shè)定脈沖流強(qiáng)化換熱系數(shù)R=km/kw，其中，km，kw分別為脈沖流和穩(wěn)態(tài)流條件下傳熱系數(shù).

圖2 局部模型的網(wǎng)格劃分Fig.2 Mesh generation of local model

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 出口中心處壓力分布圖

圖3表示當(dāng)振幅A=0.1 mm，f=2,4,6,8,10(Hz)時(shí)，內(nèi)插自振彈簧換熱管流體出口橫截面平均壓力隨相位(2πft)波動(dòng)圖.從圖3中可以看出，在脈沖流振幅一定時(shí)，隨著脈沖流頻率的增大，出口截面中心處壓力的波動(dòng)振幅也增大.

圖3 出口中心處壓力波動(dòng)圖Fig.3 The outlet center pressure distribution注： 2;4;6;8;10

2.2 脈沖流參數(shù)對(duì)流場(chǎng)的影響

為了分析脈沖流參數(shù)對(duì)流場(chǎng)的影響，在換熱管x=250 mm處，分別截取當(dāng)振幅A=0,0.1,0.3(mm)時(shí)的速度云圖，如圖4所示；當(dāng)振幅A=0.5,0.7,1.0(mm)時(shí)的速度云圖，如圖5所示.從圖4和圖5中可以看出，在內(nèi)插自振彈簧換熱管中，通入脈沖流比通入穩(wěn)態(tài)流時(shí)，管近壁面的溫度梯度要小，而且振幅越大，邊界層越薄.由于對(duì)流換熱的熱阻主要集中在邊界層，邊界層是對(duì)流換熱熱阻的控制層，要提高對(duì)流換熱系數(shù)，就得降低邊界層熱阻，降低邊界層熱阻的最佳途徑是改變其流動(dòng)狀態(tài)，使壁面流體的流動(dòng)方向不斷變化.向換熱管中通入脈沖流正是為了滿足這種要求，減薄了邊界層厚度，提高了換熱能力，而且振幅越大，換熱能力越強(qiáng).

A=0

A=0.1 mm

A=0.3 mm圖4 A為0和0.1及0.3時(shí)速度云圖Fig.4 Speed of cloud images

A=0.5 mm

A=0.7 mm

A=1.0 mm圖5 A為0.5和0.7及1.0時(shí)的速度云圖Fig.5 Speed of cloud images

2.3 脈沖流參數(shù)對(duì)溫度場(chǎng)的影響

圖6表示在內(nèi)插自振彈簧換熱管中通入脈沖流的情況下，當(dāng)振幅一定時(shí)，傳熱系數(shù)隨頻率的變化曲線.由圖7可知，當(dāng)振幅為0.1和1.0時(shí)，傳熱系數(shù)隨著頻率成正弦周期性變化，當(dāng)振幅為0.3,0.5和0.7時(shí)，傳熱系數(shù)隨頻率的變化很小，幾乎不受頻率的影響.

圖6 傳熱系數(shù)隨頻率的變化曲線圖Fig.6 The curve of heat transfer coefficient variation with frequency注： 0.1;0.3;0.5;0.7;1

圖7表示在內(nèi)插自振彈簧換熱管中通入脈沖流的情況下，當(dāng)頻率一定時(shí)，傳熱系數(shù)隨振幅的變化曲線.由圖可知，當(dāng)脈沖頻率一定時(shí)，傳熱系數(shù)隨著振幅的增大而增大，當(dāng)振幅大于0.5 mm后，變化更明顯，傳熱效果更好.

圖7 傳熱系數(shù)隨振幅的變化曲線圖Fig.7 The curve of heat transfer coefficient variation with swing注： 2;4;6;8;10

3 結(jié) 語

研究運(yùn)用Fluent軟件對(duì)內(nèi)插自振彈簧分別通入穩(wěn)態(tài)流和不同參數(shù)脈沖流情況下的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行了分析，總結(jié)如下：

(1)內(nèi)插自振彈簧換熱管出口平均壓力呈現(xiàn)與脈沖流周期相同的正(余)弦波動(dòng)，波動(dòng)大小隨著頻率的增大而增大.

(2)向內(nèi)插自振彈簧換熱管中通入脈沖流，能減小速度邊界層厚度，降低熱阻，進(jìn)而提高換熱能力.

(3)脈沖流振幅越大，速度邊界層厚度越小，熱阻越低，換熱效果越好.

(4)內(nèi)插自振彈簧換熱管的換熱效果受脈沖流頻率的影響不大，但受脈沖流振幅的影響很大，隨著振幅的增大，換熱效果增強(qiáng).

參考文獻(xiàn)：

[1] Cheng C H．Hong J L．Numerical prediction of lock-on effect on convective heat transfer from a transversely OSC i1lating circular c ylinder[J]．Int J Heat Mass Transfer,1997，40(8)：1825-1834.

[2] Hemida H N．Sabry M N．Abdel-Rahim A．et a1．Theo-retical analysis of heat transfer in Iaminar pulsating flow[J]．Int J Heat Mass Transfer,2002,45(8)：1767-1780.

[3] 吳峰，李青.熱聲理論的研究進(jìn)展[J].武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào),2012,34(1):1-6.

[4] 張鎖龍，張琳.內(nèi)置螺旋彈簧換熱管的換熱研究[J].石油機(jī)械,2002(30):5-7.

[5] 何雅玲，楊衛(wèi)衛(wèi)，趙春鳳,等.脈動(dòng)流動(dòng)強(qiáng)化換熱的數(shù)值研究[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2005,26(3)：495-497.

[6] 俞接成，李志信.環(huán)形內(nèi)肋片圓管層流脈沖流動(dòng)強(qiáng)化對(duì)流換熱數(shù)值分析[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)，2005,45(8):1091-1094.

[7] 劉建清，田茂誠(chéng)，王海興,等．脈動(dòng)水流誘導(dǎo)復(fù)合曲梁振動(dòng)特性的試驗(yàn)研究[J]．水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展，1998，13(4)：467- 472.

[8] 徐建民，熊雯,皮威.內(nèi)插螺旋彈簧換熱管傳熱性能試驗(yàn)研究[J].石油化工設(shè)備，2010.31(3)：9-12.

[9] 楊文灝，喻九陽，吳艷陽，等.螺旋槽管脈沖流強(qiáng)化對(duì)流換熱數(shù)值及場(chǎng)協(xié)同分析[J].武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2011,33(9)：46- 48.

[10] 明廷臻，周程，劉偉.管內(nèi)填充環(huán)狀金屬多孔介質(zhì)強(qiáng)化傳熱優(yōu)化分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011,33(3)：62-66.

[11] 黃曉艷，王華. R245fa傳熱特性的實(shí)驗(yàn)研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011,33(3): 67-71.