螺紋管管內流動與傳熱的數值模擬

史以奇,　李　凌

(上海理工大學 能源與動力工程學院,上?！?00093)

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螺紋管管內流動與傳熱的數值模擬

史以奇,李凌

(上海理工大學 能源與動力工程學院,上海200093)

摘要：采用數值模擬的方法對螺紋管管內的流動與換熱情況進行了研究.針對不同槽深螺紋管在不同雷諾數下內部的速度矢量場進行了對比分析,詳細研究了螺紋對管內兩種流動方式及其對流動和換熱的影響.研究結果表明,隨著槽深e的增加,旋流不斷加強,減薄邊界層,渦流引起的擾動也逐漸增強,并加強了管內流體徑向混合,因而強化了螺紋管的換熱能力.但是當槽深e繼續(xù)增加到一定程度時,旋流的增強主要集中于對換熱影響較小的中心區(qū)域,而對換熱影響較大的壁面附近的變化很小,這時旋流對換熱的強化影響很小;此時渦流核心區(qū)又會逐漸形成死流,從而弱化換熱,并且隨著槽深e的增大,死流區(qū)逐漸擴大.

關鍵詞：螺紋管; 螺旋流動; 傳熱; 數值模擬

螺紋管因為制造簡單、傳熱性能及機械性能好等優(yōu)點,被廣泛應用于冶金、動力、核能、制冷、石油化工、航空航天等各個領域,有大量文獻對其強化換熱機理進行了研究[1-11].一般認為螺紋管的強化換熱主要在于螺紋對流動產生的擾動,有研究發(fā)現螺紋對流動的擾動主要有兩種表現:一方面螺紋對近壁處流體流動的限制作用使管內流體產生附加的螺旋流動;另一方面流體經過螺紋時會產生分離流動.鄧頌九等[12]根據前人和自己所做的湍流實驗數據，推論出這兩種流動方式對螺紋管內的傳熱強化起決定性作用.李向明等[13]用氫氣泡示蹤法也證實了上述兩種流動同時存在的推論.但以上兩種流動方式的存在是在實驗室觀察得到的,對其機理的研究還極少,尤其是螺紋管的結構參數對流動方式及其對換熱的影響還有待于進一步探討.本文采用數值模擬方式,對不同雷諾數和不同槽深螺紋管內的流動和換熱情況進行了分析,詳細討論了螺紋對流動方式和換熱的影響.

1物理及數學模型

以往研究[1,12]認為,無量綱截距p*(p*=p/d)為0.4～0.75和無量綱槽深e*(e*=e/d)為0.003～0.054是螺紋管換熱的最佳結構參數范圍.本文據此選用截距p為8 mm,槽深e分別為0.4,0.5,0.6,0.7,0.8 mm的規(guī)格為20×2 mm鋼管壓制而成的螺紋管作為研究對象.圖1為其結構示意圖,其中p為截距,D為外徑,d為內徑,e為槽深,t為管壁厚度.

圖1　螺紋管結構示意圖

本文應用fluent軟件進行模型研究,采用前處理軟件ANSYS ICEM劃分混合網格.為保證前幾層網格中每層網格節(jié)點距離壁面高度基本一致,壁面附近采用棱柱網格,內部網格采用六面體為主的混合網格,如圖2所示.

求解過程采用分離變量法的隱式求解,湍流模型采用RNGk-ε湍流模型,壁面處采取增強壁面函數處理.對動量方程和能量方程采用二階迎風離散求解,壓力和速度耦合采用經典的SIMPLE算法.空氣進出口采用周期性邊界條件,質量流量給定,壁面溫度設為Tw=393 K的恒壁溫邊界條件,空氣在壁面處采用無滑移邊界條件.空氣溫度設為室溫,取值295 K,物性假設為常物性.

圖2　螺紋管網格示意圖

2結果與討論

2.1方法的驗證

本文首先進行網格無關性驗證,并進一步將計算結果同實驗數據[14]進行對比,圖3表示阻力系數f和努塞爾數Nu隨流量G的變化情況.由圖3可見,f及Nu數都和實驗值吻合較好,說明本文算法可靠.

圖3　實驗值與計算值對比

2.2不同雷諾數Re下兩種流動方式的比較

對Re數分別為10 000,20 000和30 000時的螺數管內流動情況進行模擬計算,圖4和圖5分別為槽深e為0.6 mm時,螺紋管的截面速度矢量分布圖和管內流線在剖面上的局部投影.從圖4可以觀察到明顯的螺旋流動,并且遠離中心的流體螺旋速度很大,而靠近螺紋管中心部分區(qū)域流體旋轉程度逐漸變小.進一步比較不同Re數下的速度矢量圖可以看出,隨著Re數的增加,旋流不斷增強.這是因為Re數增加,管內流體速度變大,流體慣性力影響也越來越大,粘滯力影響越來越小,導致旋轉流動增強.

同時從圖5可以看到,由于螺紋產生的形體阻力使流體產生逆向壓力梯度,迫使邊界層分離,沿流體流動y方向凹槽后部產生了渦流;并且隨著雷諾數的增加,凹槽背后的渦流區(qū)域逐漸減小.

圖4　螺紋管截面速度矢量分布圖

2.3兩種流動方式對螺紋管換熱的影響

為了進一步分析兩種流動方式對流動換熱的影響,計算不同槽深的螺紋管在不同Re數下的Nu數和阻力系數,如圖6所示.圖6(a)顯示f隨著槽深e的增大而增大,而隨著Re數的增大而減弱.這主要是由于隨著槽深e的增大,旋流和分離流引起的渦流逐漸加強,螺紋的形體阻力也越大.由圖6(b)可以看出當槽深e一定時,隨著Re數的增大,Nu數也逐漸增大,然而當Re數一定時Nu數隨著槽深e的增加先增加而后又逐漸減小,并且Re數越大,這種現象越明顯.

圖5　螺紋管管內流線在剖面上投影

圖6　Nu與阻力系數f隨槽深e的變化圖

為對此現象進行深入討論,計算Re=20 000時,槽深e分別為0.4,0.6,0.8 mm時螺紋管內的流動情況.圖7和圖8(見下頁)分別為e為0.4 mm和0.8 mm時截面上速度矢量圖和管內流線在剖面上的局部投影.由圖可見,槽深e越大,管內旋轉流動越強,換熱也越強.但是當e增加到一定時候,旋流的增強主要在于對換熱影響較小的中心區(qū)域,而對換熱影響較大的壁面附近其變化很小.這時旋流對換熱的強化影響很小，然而，在螺紋后面形成的回流區(qū)卻很大.回流區(qū)對換熱的影響與幾何參數有關,一般，流體的分離擾動會強化換熱,但是在某些參數下回流區(qū)會形成死流區(qū),從而弱化換熱,因此總的效果就可能表現為換熱弱化.

圖7　　　不同槽深e的螺紋管截面上的速度矢量分布圖

Fig.7Velocity vectors distribution on the cross

section at different depthse

圖8　　　不同槽深e的螺紋管流線在剖面上的投影

Fig.8Streamlines at the projection towards the

profile face at different depthse

為了進一步討論回流對流動換熱的影響,計算螺紋后面局部處的Nu數.圖9示出了槽深e為0.6 mm時,螺紋管螺紋后面局部Nu數的變化情況.由圖9可見,局部Nu數成波狀分布,部分區(qū)域低于光管局部Nu數,這是因為此時螺紋后面渦流逐漸蛻變?yōu)樗懒?從而弱化換熱,這也同時解釋了圖6(b)中出現的Nu數隨著槽深e的增加而有所下降的現象.

圖9　螺紋管壁面上局部Nu數分布圖(Re=20 000)

3結論

應用fluent軟件對螺紋管的流動換熱進行了數值模擬,研究管內不同流動方式的存在及其對流動換熱的影響.在本文研究的參數范圍內,獲得以下結論:

a. 螺紋管管內存在兩種對換熱起決定性作用的流動:一種為螺旋流動;另一種為分離流動引起的渦流.隨著Re數的增加,旋流不斷加強,而渦流區(qū)域逐漸變小.

b. 隨著槽深e的增加,旋流不斷加強,管內的流動換熱增強,分離流引起的渦流加強了流體的徑向混合,有利于管內換熱.而當槽深e增加到一定的時候,由于螺紋背后形成死流,局部換熱能力降低.而此時旋流的增強主要集中于對換熱影響較小的中心區(qū)域,而對換熱影響較大的壁面附近的變化很小,這時旋流對換熱的強化影響很小,致使管內的整體換熱能力又有所下降.

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(編輯:丁紅藝)

Numerical Simulation of Fluid Flow and Heat Transfer in Spirally Fluted Tubes

SHI Yiqi,LI Ling

(School of Energy and Power Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

Abstract：The flow and heat transfer in spirally fluted tubes were investigated numerically.The velocity vector fields in spirally fluted tubes with different groove depths under different Reynolds numbers were compared.The influences of the thread groove on the two types of flows and heat transfers were investigated.It is found that the spiral flow is enforced with the increasing groove depth “e”,the disturbance caused by eddy is gradually enhanced and the heat transfer in the pipe also increases.However,when e rises up to a certain value,the enhancement of spiral flow concentrates mainly in the center region of pipes which has little effect on heat transfer.In the area near the wall where the flow type has a great influence on heat transfer,the change of spiral flow is small and therefore it has little effect on heat transfer enhancement.The center of the eddy becomes a ‘still zone’ which weakens the heat transfer.In addition,when e is kept increasing,the still zone enlarges.

Keywords：spirally fluted tube; spiral flow; heat transfer; numerical simulation

中圖分類號：TK 124

文獻標志碼：A

通信作者：李凌(1976-),女,副教授.研究方向:數值傳熱、強化傳熱.E-mail:liling@usst.edu.cn

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51476102)

收稿日期：2014-11-07

DOI：10.13255/j.cnki.jusst.2016.02.006

文章編號：1007-6735(2016)02-0133-04

第一作者： 史以奇(1989-),男,碩士研究生.研究方向:數值傳熱.E-mail:yuqi1202@163.com