凹坑結(jié)構(gòu)對(duì)麻面管流動(dòng)與傳熱特性的影響分析

閆順林, 張 莎, 何 侖

(華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院,保定 071003)

縱向渦強(qiáng)化傳熱技術(shù)一直是強(qiáng)化換熱研究的重點(diǎn),除在換熱表面安裝縱向渦發(fā)生器外,常將換熱管表面加工成非光滑表面異型管以增強(qiáng)換熱[1-4]。而非光滑表面結(jié)構(gòu)參數(shù)決定了換熱管性能優(yōu)良與否,為此,中外學(xué)者對(duì)各種異型管粗糙表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量研究。

劉曉兵[5]對(duì)酒窩板強(qiáng)化換熱進(jìn)行數(shù)值模擬,得出窩徑為12 mm、窩高4 mm、窩距為21 mm時(shí)換熱板片的換熱及流動(dòng)阻力達(dá)到最佳匹配。Li等[6]對(duì)交錯(cuò)雙斜向內(nèi)肋換熱管進(jìn)行了數(shù)值研究,結(jié)果表明斜向內(nèi)肋在低Re區(qū)使換熱強(qiáng)化,努塞爾數(shù)Nu和阻力系數(shù)f均隨肋高增大而增大,斜度為45°的內(nèi)肋換熱效果較優(yōu)。賈寶光[7]對(duì)不同內(nèi)肋結(jié)構(gòu)參數(shù)的間斷橫紋內(nèi)肋管進(jìn)行模擬研究,得出在Re=400時(shí),結(jié)構(gòu)參數(shù)c=50°、p=5 mm、e=0.6 mm、a=2.7 mm的內(nèi)肋管換熱效果最好,綜合換熱評(píng)價(jià)指標(biāo)可達(dá)2.5。閆順林等[8]對(duì)麻面管管內(nèi)凸胞側(cè)進(jìn)行模擬研究,得出不同Re范圍的較優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)也不同,麻面管比光管的Nu提高16%～40%,f增加15%～53%,綜合傳熱性能指標(biāo)為1.05～2.5；Burgess等[9]對(duì)流體通道內(nèi)酒窩坑的影響進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,得出在Re=12 000～70 000下,通道局部和平均努塞爾數(shù)均隨酒窩深度的增加而增加。

現(xiàn)提出一種新型麻面換熱管,使用麻面凹坑結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)流體域產(chǎn)生渦流來達(dá)到增強(qiáng)換熱的目的?；诖蟛糠忠阎墨I(xiàn)為對(duì)流體流經(jīng)異型管凸胞側(cè)的研究,主要對(duì)流經(jīng)管外不同高徑比凹坑的情況進(jìn)行分析,研究凹坑結(jié)構(gòu)對(duì)麻面管傳熱與流動(dòng)特性的影響。

1 數(shù)值模擬方法

1.1 物理模型及網(wǎng)格劃分

麻面管物理模型如圖1所示。為研究不同凹坑高徑比h/d在不同進(jìn)口油速v下對(duì)φ22 mm×2.4 mm麻面管傳熱與流動(dòng)特性的影響,在凹坑深度h=0.9 mm的前提下,令凹坑直徑為1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2.0 mm分別獲得高徑比為0.6、0.563、0.529、0.5、0.474、0.45的凹坑結(jié)構(gòu),各模型具體參數(shù)如表1所示。

麻管管長(zhǎng)為L(zhǎng),外徑為D,凹坑直徑為d,凹坑深度為h圖1 麻面管物理模型Fig.1 Physical model of pitted pipe

序號(hào)h/mmd/mmh/d10.91.50.620.91.60.56330.91.70.52940.91.80.550.91.90.47460.92.00.45

利用Workbench對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,并在流體域與管壁兩側(cè)的接觸面利用膨脹層進(jìn)行局部加密,以提高近壁處數(shù)值求解的準(zhǔn)確度,網(wǎng)格劃分如圖2所示。對(duì)不同網(wǎng)格數(shù)量麻面管的模擬計(jì)算結(jié)果如圖3所示,可看出網(wǎng)格數(shù)86萬的Nu與f均處于穩(wěn)定狀態(tài),說明網(wǎng)格密度已滿足模擬精度要求。為節(jié)省計(jì)算時(shí)間,選擇網(wǎng)格數(shù)為86萬進(jìn)行模擬計(jì)算。

圖2 計(jì)算模型網(wǎng)格劃分Fig.2 Grid division of the computing model

圖3 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證Fig.3 Verification of grid independence

1.2 數(shù)學(xué)模型及數(shù)據(jù)處理方法

潤滑油橫掠麻面管三維穩(wěn)態(tài)流動(dòng)與傳熱滿足質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒定律,基本方程[10]如下：

質(zhì)量守恒方程:

(1)

動(dòng)量守恒方程:

(2)

流體域能量守恒方程:

(3)

固體域能量守恒方程:

(4)

式中:i，j=x，y，z；u為流體速度,m/s；p為壓力,Pa；ρ為密度,kg/m3；keff為有效熱導(dǎo)率,W/(m·K)；E為內(nèi)能,J/kg；T為溫度,K；Sh為熱源項(xiàng),J；Jj′為組分?jǐn)U散通量；τij為應(yīng)力張量；λ為固體導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K)。

為比較不同高徑比凹坑結(jié)構(gòu)對(duì)麻面管傳熱與流動(dòng)特性的影響,使用努塞爾數(shù)Nu與阻力系數(shù)f進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,其定義式為[11]

(5)

(6)

式中:h′為換熱管平均對(duì)流換熱系數(shù),W/(m2·K)；de為換熱管當(dāng)量直徑,m；λ為潤滑油導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K)；Δp為潤滑油進(jìn)出口壓力差,Pa；ρ為潤滑油密度,kg/m3；v為潤滑油平均進(jìn)口流速,m/s。

1.3 邊界條件及數(shù)值計(jì)算方法

換熱管材質(zhì)為紫銅,管內(nèi)走水,管外走油,水與紫銅的物性參數(shù)如表2所示。DTE24潤滑油物性參數(shù)引自文獻(xiàn)[12]。潤滑油黏度設(shè)置成隨溫度線性變化,密度、導(dǎo)熱系數(shù)等其他物性參數(shù)設(shè)置為常數(shù)[12]。進(jìn)油口與進(jìn)水口設(shè)置為速度入口條件,進(jìn)口油溫50 ℃,進(jìn)口水溫30 ℃,進(jìn)口平均水速3 m/s；出油口和出水口均設(shè)置為壓力出口條件；管壁固體域與兩側(cè)流體域接觸面均設(shè)置為耦合壁面邊界條件,耦合交界面的溫度及熱流密度連續(xù)；外壁面設(shè)為無滑移絕熱壁面。

表2 水與紫銅的物性參數(shù)Table 2 Physical properties of water and copper

湍流模型選擇RNGk-ε,提高精度且適應(yīng)低雷諾數(shù)黏性流動(dòng)與近壁湍流旋渦[15]；壓力與速度梯度耦合選用Simplec算法求解；壁面采用增強(qiáng)壁面函數(shù)法處理；動(dòng)量、能量方程及湍動(dòng)能耗散率采用二階迎風(fēng)離散格式；模擬結(jié)果各項(xiàng)殘差收斂值達(dá)到10-6精度。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 凹坑場(chǎng)態(tài)分析

為分析不同高徑比凹坑結(jié)構(gòu)對(duì)麻面管流動(dòng)特性的影響,在麻面管截面z=62.8 mm處的速度矢量圖與流線圖,選取某部位凹坑的局部放大圖進(jìn)行詳細(xì)分析,取樣點(diǎn)如圖4所示。

圖4 麻面管流動(dòng)特性分析凹坑取樣點(diǎn)Fig.4 Pit sampling areas of pitted tubes flow forcharacteristics analysis

v=1.8 m/s時(shí),z=62.8 mm截面處的流線圖如圖5所示,隨高徑比越小,凹坑內(nèi)的旋渦區(qū)越扁平；高徑比(h/d=0.563)偏大時(shí),渦結(jié)構(gòu)偏向凹坑后緣；高徑比(h/d=0.45)偏小時(shí),渦結(jié)構(gòu)偏向凹坑底部。這是由于流體沖擊凹坑后緣進(jìn)入凹坑,動(dòng)能慣性使大部分流體沿凹坑周緣旋轉(zhuǎn)流動(dòng),隨高徑比越小,凹坑越扁平,回流形成的渦形越扁平。高徑比偏大時(shí),流體從主流區(qū)進(jìn)入凹坑的偏轉(zhuǎn)角度相對(duì)較小,沖擊凹坑后緣獲得的動(dòng)能較小,且凹坑周緣反向摩擦力使動(dòng)能進(jìn)一步減小且產(chǎn)生較大流速梯度,同時(shí)產(chǎn)生的壓力梯度使前緣高壓區(qū)壓迫旋渦偏離凹坑中心至后緣；高徑比偏小時(shí),流體偏轉(zhuǎn)獲得的動(dòng)量較大,使反向摩擦力的影響較小,旋轉(zhuǎn)流主要受凹坑形狀影響,凹坑越扁平,渦形越偏向凹坑底部。

圖5 v=1.8 m/s時(shí)z=62.8 mm截面處的流線圖Fig.5 Streamline diagram at z=62.8 mm section when v=1.8 m/s

v=1.8 m/s時(shí),z=62.8 mm截面處的速度矢量圖如圖6所示，可知凹坑高徑比h/d=0.5的旋渦區(qū)充盈度最好；高徑比h/d=0.563的凹坑周緣低速旋轉(zhuǎn)流動(dòng)狀態(tài)良好,但與高徑比h/d=0.5相比明顯旋轉(zhuǎn)流的流速較低,在旋渦中心容易發(fā)生滯流；高徑比h/d=0.45的流體大多沿凹坑周緣快速旋轉(zhuǎn)流出,凹坑中心旋轉(zhuǎn)流較少。這是由于高徑比(h/d=0.45)偏小,凹坑后緣過于平緩,只有少量主流區(qū)流體被攔截進(jìn)入凹坑,且進(jìn)入凹坑流體的偏轉(zhuǎn)角度較大,使具有較大動(dòng)能慣性的旋轉(zhuǎn)流體緊貼凹坑周緣流出。當(dāng)高徑比(h/d=0.563)偏大,流體偏轉(zhuǎn)進(jìn)入凹坑的動(dòng)能較小,凹坑周緣反向摩擦力使流體動(dòng)能進(jìn)一步減弱,致使凹坑旋渦中心因流速過低容易出現(xiàn)滯流現(xiàn)象。

圖6 v=1.8 m/s時(shí)z=62.8 mm截面處的速度矢量圖Fig.6 Velocity vector diagram at z=62.8 mm section with v=1.8 m/s

v=1.8 m/s時(shí),z=62.8 mm截面處的溫度矢量圖如圖7所示，可知凹坑h/d=0.5的麻面管比h/d=0.45與h/d=0.563的流體域溫度變化更明顯,說明麻面管的傳熱性能隨凹坑高徑比增加不是單調(diào)變化關(guān)系,且h/d=0.5時(shí)的傳熱效果較好。這是由于高徑比偏小(h/d=0.45)時(shí),進(jìn)入凹坑的旋轉(zhuǎn)流較少且流速較快,不利于管壁邊界層能量與動(dòng)量的充分與及時(shí)交換；當(dāng)高徑比偏大(h/d=0.563)時(shí),結(jié)合速度場(chǎng)可知凹坑低速旋渦區(qū)充盈度較高有利于傳熱,但凹坑面積的減小使麻面管總有效傳熱面積大幅度減小,抑制了增強(qiáng)傳熱的優(yōu)勢(shì),使麻面管傳熱性能減弱。

圖7 v=1.8 m/s時(shí)z=62.8 mm截面處的溫度矢量圖Fig.7 Cloud diagram of temperature at z=62.8 mm section with v=1.8 m/s

2.2 凹坑結(jié)構(gòu)對(duì)流動(dòng)與傳熱特性的影響

不同凹坑直徑d下Nu與f隨油速v變化曲線如圖8所示，可知隨著進(jìn)口油速的增加,不同凹坑結(jié)構(gòu)麻面管與光管的Nu均升高,f均減小。且麻面管的Nu均高于光管,f均小于光管。造成麻面管Nu較高的原因一方面是由于凹坑的存在增加了換熱管的總有效傳熱面積,另一方面凹坑的存在加強(qiáng)了管壁周圍的渦流擾動(dòng),使能量與動(dòng)量的交換加劇。造成麻面管f較小的原因是凹坑內(nèi)部存在著低速旋流,與凹坑外部流體接觸使流經(jīng)凹坑后的主流速度降低,湍動(dòng)能損耗減??；凹坑內(nèi)部的反轉(zhuǎn)氣流在凹坑底部產(chǎn)生的摩擦阻力與來流相反,摩擦阻力在凹坑底部作為一種附加動(dòng)力產(chǎn)生推動(dòng)效應(yīng)[16]。兩種效應(yīng)的疊加使凹坑具有減阻作用,使相同進(jìn)口油速橫掠下的麻面管阻力比光管更小。同時(shí)由圖8可知d=1.8 mm時(shí)為Nu與f的轉(zhuǎn)折點(diǎn),更加明確的數(shù)據(jù)關(guān)系顯示如圖9所示。

不同進(jìn)口油速v下Nu與f隨h/d變化曲線如圖9所示，由圖9(a)可知在相同進(jìn)口油速下,h/d從0.45～0.5的Nu呈上升趨勢(shì),但h/d=0.5～0.6的Nu呈下降趨勢(shì),h/d=0.5處為Nu最高點(diǎn)。造成這種現(xiàn)象的原因是在h/d=0.45～0.5內(nèi),凹坑隨高徑比越小越平緩,越不利于附近流體碰撞凹坑后緣,使凹坑內(nèi)旋轉(zhuǎn)流較少不利于傳熱,同時(shí)流體沖擊凹坑后緣進(jìn)入凹坑的偏轉(zhuǎn)角較大使旋轉(zhuǎn)流流速較高,在凹坑停留時(shí)間較短也不利于傳熱。在h/d=0.5～0.6內(nèi),陡直的后緣利于流體進(jìn)入凹坑產(chǎn)生低速旋轉(zhuǎn)流,但高徑比越大,凹坑直徑越小,麻面管的有效傳熱面積越小,使麻面管傳熱效果再次降低。且由h/d=0.5兩側(cè)的降低差值可知,有效傳熱面積的減小對(duì)麻面管的傳熱性能影響較大。

圖8 不同凹坑直徑d下Nu與f隨油速v變化曲線Fig.8 Curves of Nu and f with different pit diameters d and different oil speeds v

圖9 不同進(jìn)口油速v下Nu與f隨h/d變化曲線Fig.9 Curves of Nu and f with different in let oil speeds v and different h/d

由圖9(b)可知在相同進(jìn)口油速下,h/d=0.45～0.5的f呈下降趨勢(shì),但h/d=0.5～0.6的f呈上升趨勢(shì),在h/d=0.5處達(dá)到f最低點(diǎn)。這是由于在h/d=0.45～0.5內(nèi),高徑比越小,主流區(qū)進(jìn)入凹坑的流體偏轉(zhuǎn)角度越大,獲得的動(dòng)量慣性越大,高速流體經(jīng)凹坑周緣后匯入主流時(shí)對(duì)主流區(qū)的沖擊越大,使麻面管阻力越大；在h/d=0.5～0.6內(nèi),高徑比越大,麻面管的凹坑越深,越容易在凹坑內(nèi)部形成流動(dòng)死區(qū)使麻面管阻力增大。結(jié)合Nu與f可知,凹坑高徑比h/d=0.5時(shí),麻面管的Nu最高,f最低,該凹坑高徑比下麻面管的綜合傳熱性能最好,此時(shí)為本研究范圍內(nèi)的最優(yōu)凹坑結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)論

(1)在進(jìn)口油速v=1.8 m/s時(shí),隨高徑比越小,凹坑內(nèi)形成的旋渦區(qū)越扁平；高徑比偏小時(shí)旋渦區(qū)位于凹坑底部,流速較高但旋轉(zhuǎn)流較少；高徑比偏大時(shí)旋渦區(qū)位于凹坑后緣,旋渦充盈度良好但流速較低且容易在旋渦中心形成滯流。

(2)在進(jìn)口油速v=1.8 m/s時(shí),h/d=0.5的溫度場(chǎng)變化強(qiáng)于h/d=0.45與h/d=0.563,說明凹坑高徑比為0.5時(shí)的麻面管傳熱效果較好；高徑比偏小時(shí)凹坑較淺,凹坑內(nèi)流體較少且流速較高不利于充分及時(shí)的傳熱；高徑比偏大時(shí)凹坑較小,有效傳熱面積的減小使麻面管的傳熱減弱。

(3)隨進(jìn)口油速增加,麻面管與光管的Nu均升高,f均降低；相同進(jìn)口油速下,麻面管的Nu均高于光管,f均低于光管,說明麻面管的凹坑結(jié)構(gòu)具有增強(qiáng)換熱與減阻作用。

(4)相同進(jìn)口油速下,麻面管的Nu與f均隨凹坑高徑比不是單調(diào)變化:隨h/d增大,Nu先增大后減小,f先減小后增大；凹坑高徑比h/d=0.5時(shí)的Nu最高且f最低,麻面管傳熱最好,阻力最低,綜合傳熱效果最好,此時(shí)為本研究的最優(yōu)凹坑結(jié)構(gòu)參數(shù)。