管型結(jié)構(gòu)對(duì)管內(nèi)強(qiáng)化傳熱效果影響的研究進(jìn)展

李 論

（華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京 102206）

0 引言

進(jìn)入工業(yè)化社會(huì)以來，能源問題在社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)中日漸突出，世界各國的科研人員對(duì)提高能源利用效率的研究也愈加深入。 在制冷空調(diào)、石油化工、城市供熱等行業(yè)中廣泛應(yīng)用到的對(duì)流換熱技術(shù)，是提高能源利用效率的一個(gè)方向。 自20 世紀(jì)60年代，國內(nèi)外眾多熱科學(xué)研究者對(duì)強(qiáng)化傳熱技術(shù)的研究不斷深入，開發(fā)出許多新型換熱器。 截至目前，對(duì)強(qiáng)化傳熱所采取的方法多集中在換熱管結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，開發(fā)出許多強(qiáng)化傳熱結(jié)構(gòu)如內(nèi)螺紋管、橫紋管、翅片管、波紋管、螺旋槽管、異型管等。 并且已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和社會(huì)生活之中。 本文重點(diǎn)對(duì)近五年研究成果進(jìn)行總結(jié)，意在緊跟國內(nèi)外關(guān)于管內(nèi)結(jié)構(gòu)強(qiáng)化傳熱的研究進(jìn)展。

1 管型結(jié)構(gòu)影響管內(nèi)強(qiáng)化傳熱研究進(jìn)展

1.1 內(nèi)螺紋管

內(nèi)螺紋管指在管的內(nèi)壁上加工出一條或多條螺旋上升的膛線。 由于管內(nèi)壁上螺紋的存在，當(dāng)流體流過時(shí)，靠近壁面的流體隨螺紋螺旋流動(dòng)，從而擾動(dòng)了邊界層，使強(qiáng)化傳熱得到增強(qiáng)。 內(nèi)螺紋管影響傳熱的結(jié)構(gòu)參數(shù)有螺紋截面形狀、 螺紋頭數(shù)、 螺紋寬度、高度、螺紋升角，世界各國科研人員對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)內(nèi)螺紋管的研究一直在進(jìn)行。 Liu Xiaoyue 等[1]以數(shù)值模擬的方法，研究了矩形截面螺紋、三角形截面螺紋、圓頂截面螺紋三種不同螺紋截面形狀對(duì)管內(nèi)強(qiáng)化傳熱的性能改善效果。 研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)雷諾數(shù)較大時(shí)，矩形截面螺紋和圓頂截面螺紋的摩擦系數(shù)和努賽爾數(shù)相同，而在低雷諾數(shù)條件下，圓頂截面螺紋的摩擦系數(shù)遠(yuǎn)大于矩形截面螺紋。 Zhanwei Liu 等[2]用數(shù)值方法研究了矩形翅片、三角形、和圓頂形三種截面形狀、螺紋升角、螺紋頭數(shù)等因素對(duì)流動(dòng)和傳熱特性的影響，結(jié)果表明螺旋角在所有研究變量之中對(duì)傳熱效果的提升最大，而截面形狀對(duì)傳熱效果的影響最小，三種截面形狀下努賽爾數(shù)和摩擦系數(shù)差值在10%以下。 Wang[3]等以乙二醇水溶液為流體， 對(duì)內(nèi)徑22.48 mm 的內(nèi)螺紋管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，相比普通光管其綜合傳熱效率提升約1.55～1.8。 Raj[4]等以乙二醇、水兩種流體，實(shí)驗(yàn)研究螺紋升角、螺紋高度在層流和湍流狀態(tài)下對(duì)傳熱性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在層流狀態(tài)時(shí)，使用乙二醇作為流體管內(nèi)表面換熱增強(qiáng)34%；湍流狀態(tài)下水作為流體管內(nèi)表面換熱增強(qiáng)18%。

1.2 內(nèi)翅片管

20 世紀(jì)70年代初，美國首先提出了內(nèi)翅片管。這種換熱管采用了特殊工藝設(shè)備進(jìn)行加工，擴(kuò)大了換熱管的管內(nèi)面積， 相比內(nèi)螺紋管中以螺紋形式強(qiáng)化傳熱，翅片更薄、數(shù)量小、翅片頂端更靠近管中心甚至連接于管中心軸線上，并且無螺旋升角。 翅片管強(qiáng)化原理與內(nèi)螺紋管增加粗糙度以擾動(dòng)邊界層為主不同，內(nèi)翅片管更是以增大換熱面積為主。 Khanmohammadi[5]等采用三維數(shù)值模擬的方法，探討了不同星狀翅片(普通翅片、帶齒直翅片、彎曲翅片)對(duì)努賽爾數(shù)和摩擦系數(shù)的影響，結(jié)果表明，三種管型結(jié)構(gòu)較光滑管均可明顯提高努賽爾數(shù)和摩擦系數(shù)。 并且彎曲翅片在三種形狀中效果最佳，努賽爾數(shù)最大提升約52%。 張倬[6]使用數(shù)值模擬方法研究了層流狀態(tài)流體在內(nèi)直肋管的傳熱性能，結(jié)果指出內(nèi)直肋強(qiáng)化管對(duì)平均努賽爾數(shù)的提升均比較明顯，而對(duì)摩擦阻力系數(shù)只有略微提升。

1.3 橫紋管

橫紋管是在管壁上滾壓出與管子軸線成90°的橫向槽紋，在管壁內(nèi)形成等距的內(nèi)陷圓環(huán)。 管內(nèi)流體流經(jīng)圓環(huán)時(shí)在管壁上形成軸向旋渦，增強(qiáng)流體邊界層的擾動(dòng)，因而使傳熱得到強(qiáng)化。 明慧[7]和陳邦強(qiáng)[8]用數(shù)值模擬方法對(duì)管內(nèi)流過水的橫紋管進(jìn)行傳熱研究，發(fā)現(xiàn)橫紋管在提升傳熱效果的同時(shí)，對(duì)摩擦系數(shù)的增大也較大。 對(duì)內(nèi)凸局部云圖分析發(fā)現(xiàn)，流體在流經(jīng)內(nèi)凸結(jié)構(gòu)后產(chǎn)生回流，這與前兩種結(jié)構(gòu)管型不同。

1.4 波紋管與縮放管

波紋管是用管內(nèi)擴(kuò)張的方法，將管子加工成內(nèi)外均呈連續(xù)波紋曲線的波紋管，使管子的縱向截面成波形，由相切的大小圓弧構(gòu)成。 流體流過時(shí)由于管內(nèi)流體的流動(dòng)截面不斷變化，使流體形成周期性的擾動(dòng)因而強(qiáng)化傳熱效果。 Andrade 等[9]以實(shí)驗(yàn)方法對(duì)內(nèi)徑為5.75 mm 的一個(gè)光滑管和兩個(gè)波紋管進(jìn)行了對(duì)比研究。 結(jié)果表明，在研究雷諾數(shù)范圍內(nèi)波紋管的摩擦系數(shù)比光滑管的摩擦系數(shù)有更平穩(wěn)地過渡。 另外，波紋管在過渡流態(tài)下對(duì)于增強(qiáng)換熱更有效，最大的傳熱增強(qiáng)發(fā)生在雷諾數(shù)為2000 時(shí)。 張亮[10]、郭佳馨[11]用數(shù)值模擬對(duì)波紋管的幾何尺寸影響傳熱特性進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，波幅和波長對(duì)波紋管的傳熱均有影響，波長越短，波幅越大強(qiáng)化傳熱效果越好，但同時(shí)會(huì)以增強(qiáng)管內(nèi)摩擦阻力為代價(jià)。 在雷諾數(shù)大于2000 左右時(shí)，增大波長能改善綜合換熱效果。 江嘉銘[12]也以數(shù)值模擬研究了波紋管的波紋周期和波峰高影響管內(nèi)流動(dòng)與換熱的規(guī)律，其指出在實(shí)際工程應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際合理采用不同波紋周期和波峰高度的配置，能在提高傳熱性能的同時(shí)而最大程度上減小流動(dòng)阻力的增大。

縮放管結(jié)構(gòu)與波紋管相似，是指以漸縮漸擴(kuò)結(jié)構(gòu)交替布置的管型， 縮放管強(qiáng)化傳熱原理與波紋管相同，流體形成周期性的擾動(dòng)，達(dá)到強(qiáng)化換熱的效果。 按照其收縮開始端是先縮小或是先擴(kuò)張分為先擴(kuò)后縮管和先縮后擴(kuò)管。 王旭[13]用數(shù)值模擬研究了等截距縮放管的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)傳熱特性的影響，結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為縮放角、喉徑比、節(jié)距。 發(fā)現(xiàn)縮放角與傳熱性能成正比，喉徑比與傳熱性能成反比，節(jié)距在較小時(shí)能提高傳熱性能而當(dāng)節(jié)距較大時(shí)傳熱性能基本不變，即節(jié)距對(duì)提高傳熱效果有一定的限度。

1.5 微肋管

近年來，隨著前述管型結(jié)構(gòu)的研究深入并取得應(yīng)用，不能滿足現(xiàn)有需求，科研人員開發(fā)并研究一些新型管型結(jié)構(gòu)，如三維內(nèi)肋管[14-15]、麻面管[16-17]、半膠囊形內(nèi)肋管[18]、錐形內(nèi)肋管[19-20]等，這些結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化管雖然結(jié)構(gòu)不同，但其擁有共同特征：（1）管內(nèi)布置局部突起以引起流體在壁面處擾動(dòng)；（2） 強(qiáng)化傳熱原理均以擾動(dòng)邊界層為主。

三維內(nèi)肋管是在光管的內(nèi)表面加工出針狀或鱗狀的肋片來實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化換熱。 劉爽[15]以空氣為工質(zhì)對(duì)三維內(nèi)肋管的換熱和阻力特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明三維內(nèi)肋管對(duì)強(qiáng)化傳熱效果顯著，換熱系數(shù)較光管可達(dá)3.15 倍。 另外，其對(duì)肋高、肋間距、肋寬三種結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)換熱的影響程度進(jìn)行分析，指出強(qiáng)化傳熱影響效果由高至低為肋高、肋間距、肋寬。

麻面管是近期開發(fā)出的一種高效換熱管，管的表面布置向內(nèi)凹陷類似高爾夫球凹坑的突起。 閆順林[17]用數(shù)值模擬方法，研究了麻面管突起的凸深、凸距對(duì)流體流動(dòng)和換熱特性的影響。 研究得出當(dāng)凸深越大強(qiáng)化傳熱效果越明顯，在凸深小于0.5 mm 時(shí)，影響效果明顯，大于0.5 mm 后，雖有增強(qiáng)效果但不明顯。 凸距對(duì)強(qiáng)化傳熱效果影響較小，但凸距越小流動(dòng)產(chǎn)生的阻力更大。

半膠囊形內(nèi)肋管結(jié)構(gòu)與麻布管類似，在換熱管表面布置半橢球形內(nèi)突起。 邵敏[18]對(duì)不連續(xù)雙斜向內(nèi)肋管進(jìn)行了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)的對(duì)比研究。 研究表明由于此結(jié)構(gòu)內(nèi)肋存在，管內(nèi)流體在壁面處形成了強(qiáng)烈的渦流，增強(qiáng)了擾動(dòng)。 另經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，使用不連續(xù)雙斜向內(nèi)肋管的換熱器較光管換熱器，換熱效率提高了5.23%。

錐形內(nèi)肋管在換熱管內(nèi)表面布置由兩個(gè)同底不等高相靠三棱錐組成的突起， 長的布置在迎流面，短的在其后，形成向管內(nèi)凸出的內(nèi)肋結(jié)構(gòu)。曹海亮[19]以數(shù)值模擬方法研究了錐形內(nèi)肋結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)傳熱和流動(dòng)阻力的影響，結(jié)果表明在雷諾數(shù)小于15000 時(shí)，對(duì)綜合傳熱性能增大程度理想，提升效果為15%～25%，隨著雷諾數(shù)更大時(shí)，綜合性能平穩(wěn)降低并趨近1，即在雷諾數(shù)大時(shí)，強(qiáng)化傳熱效果不明顯。

2 結(jié)語

隨著工業(yè)進(jìn)程的發(fā)展，對(duì)高效強(qiáng)化換熱管的研究以及對(duì)新型換熱管的開發(fā)探索進(jìn)入了更高的要求和探索。20 世紀(jì)開發(fā)研究的如螺紋管、橫紋管、翅片管的研究已經(jīng)深入， 在生產(chǎn)中已經(jīng)大規(guī)模運(yùn)用并形成標(biāo)準(zhǔn)，未來探索高效強(qiáng)化傳熱技術(shù)的方向可能在微型內(nèi)肋。 微型肋結(jié)構(gòu)的肋具有擾流強(qiáng)度大、阻力小、省材等優(yōu)點(diǎn)，但礙于其具有高度個(gè)性化的特點(diǎn)對(duì)加工生產(chǎn)提出了難度，在實(shí)際應(yīng)用上可能還不能快速普及。 隨著計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展，對(duì)開發(fā)新型高效強(qiáng)化換熱管提供了幫助， 數(shù)值模擬能都滿足個(gè)性化新型微肋的探索，克服實(shí)驗(yàn)周期長的短板。 以數(shù)值模擬為主，結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證將會(huì)是強(qiáng)化傳熱的發(fā)展途徑。