管內(nèi)插螺旋液固兩相流流場(chǎng)特征影響因素試驗(yàn)

彭德其, 付 翁, 馮 源, 俞天蘭, 譚卓偉, 吳淑英, 王志奇

(1.湘潭大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 湖南湘潭 411105； 2.湖南工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 湖南株洲 412007)

換熱管內(nèi)插螺旋液固兩相流具有結(jié)構(gòu)緊湊、設(shè)備改造成本低、換熱效率高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛運(yùn)用于化工、能源及冶金等工業(yè)領(lǐng)域[1-3]。然而，換熱管內(nèi)插螺旋液固兩相流內(nèi)部的流動(dòng)特性復(fù)雜，多種因素會(huì)導(dǎo)致流體與管壁之間的換熱規(guī)律異樣多化[4-5]，使得換熱管內(nèi)插螺旋液固兩相流工程設(shè)計(jì)較為復(fù)雜困難。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)換熱器內(nèi)插螺旋的流場(chǎng)及換熱進(jìn)行了相關(guān)研究。換熱器內(nèi)插螺旋相對(duì)于光管，其具有更好強(qiáng)化傳熱作用，Zhang等[6-9]研究表明, 加入內(nèi)插螺旋使得管內(nèi)流體產(chǎn)生額外渦流，呈現(xiàn)螺旋二次流，使流體在內(nèi)壁上滑動(dòng)，壁面附近的切向速度和徑向速度得到提升，從而加速主流區(qū)域與近壁面區(qū)域之間混合，促進(jìn)湍流動(dòng)能，因此可更好達(dá)到強(qiáng)化換熱效果。液固兩相流中良好固相分布能更好強(qiáng)化傳熱傳質(zhì)，Lü等[10-14]研究表明，液固兩相流中固相分布涉及多種因素，包括表觀液體速度、表觀顆粒速度、顆粒密度、顆粒粒徑、顆粒體積分?jǐn)?shù)及顆粒形狀等。然而液固兩相流在實(shí)際工程應(yīng)用中，大多數(shù)顆粒分布在圓管中心位置，導(dǎo)致?lián)Q熱效果不能達(dá)到最大化[15]。螺旋線(xiàn)圈使得管內(nèi)流體呈螺旋流，徑向速度增大產(chǎn)生離心力，引導(dǎo)顆粒碰撞壁面，破壞邊界層，加劇湍流程度，能更好達(dá)到防除垢與強(qiáng)化換熱效果[16-17]。但這些研究對(duì)內(nèi)插螺旋換熱管內(nèi)液固兩相流動(dòng)行為分析不夠充分，而流場(chǎng)與換熱之間關(guān)系十分緊密[18]，因此研究管內(nèi)液固兩相流動(dòng)行為對(duì)揭示流場(chǎng)影響傳熱具有重要意義。筆者通過(guò)自主搭建可視化內(nèi)插螺旋液固兩相流試驗(yàn)平臺(tái)，采用PIV技術(shù)[19-20]，對(duì)立式管內(nèi)插螺旋線(xiàn)圈進(jìn)行試驗(yàn)研究，深入探究雷諾數(shù)、顆粒體積分?jǐn)?shù)和顆粒粒徑對(duì)管內(nèi)流場(chǎng)特征影響。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置及粒子圖像測(cè)速法(PIV)成像原理如圖1所示，主要由PIV測(cè)試系統(tǒng)、水循環(huán)系統(tǒng)、試驗(yàn)測(cè)試段3部分組成。為捕捉管內(nèi)充分發(fā)展段的流動(dòng)情況，測(cè)試段采用長(zhǎng)度L=1 000 mm、內(nèi)徑D=32 mm石英玻璃管。為減少水折射對(duì)圖像質(zhì)量影響，在管外安裝一個(gè)60 mm×60 mm×800 mm矩形石英玻璃水槽。將示蹤粒子(粒徑小于10 μm)與水混合均勻后，加入密度為1.2 g/cm3的亞克力球形顆粒，由離心泵輸送至試驗(yàn)循環(huán)系統(tǒng)中。為準(zhǔn)確獲取流體穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，其測(cè)量部位距離圓管進(jìn)口的90D處[20]。在激光給予能量情況下，利用CCD相機(jī)得到部件1的管中心縱截面圖，通過(guò)軟件計(jì)算以及采用tecplot后處理，得到渦量、徑向速度、湍動(dòng)能等物理量。

圖1 試驗(yàn)裝置及PIV成像原理Fig.1 Experimental setup and PIV imaging principle

1.2 試驗(yàn)材料及參數(shù)

自來(lái)水作為循環(huán)管路的介質(zhì)。其顆粒材料為亞克力，密度為1.2 g/cm3，外徑分別為1.5、2、3、4和5 mm，分別對(duì)應(yīng)的沉降速度為0.094、0.109、0.134、0.154 9和0.174 m/s。其顆粒體積分?jǐn)?shù)(φ=1%、2%、3%、4%、5%)是粒子總體積與(水+粒子) 總體積之比。

1.3 試驗(yàn)工況

采用彭德其等[16]所得的最優(yōu)螺旋結(jié)構(gòu)參數(shù)(絲徑e=1.5 mm、螺距s=20 mm、外徑D=30 mm)，在流速為1 m/s(Re=33 000)時(shí)螺旋將穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)，考慮顆粒Φ=5 mm，φ=5%時(shí)，顆粒流態(tài)初始化所需速度為0.8 m/s(Re=26 400)，因此Re選定為26 400、28 600、30 800和33 000。因螺旋與顆粒運(yùn)動(dòng)具有瞬時(shí)性，為增加數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠性，每種工況下測(cè)量3組數(shù)據(jù)取平均值。為確定雷諾數(shù)Re、顆粒體積分?jǐn)?shù)φ(1%、2%、3%、4%、5%)和顆粒粒徑Φ(1.5、2、3、4、5 mm)三種因素對(duì)流場(chǎng)的影響，試驗(yàn)中控制兩個(gè)變量分別研究Re、φ、Φ對(duì)流場(chǎng)影響。

1.4 參數(shù)定義

縱截面內(nèi)渦量Ωxy定義為

(1)

式中，U和V分別為軸向速度和徑向速度，m/s。

湍動(dòng)能K[17]定義為

(2)

2 結(jié)果與討論

壁面附近渦量影響邊界層分布與傳熱，且渦量受到顆粒參數(shù)和流體速度影響。為探究邊界層附近渦量規(guī)律，取Re=26 400，φ=1%，Φ=1.5 mm工況，由試驗(yàn)測(cè)得此時(shí)邊界層厚度，該工況下邊界層厚度為最大值0.2 mm，其余工況下邊界層厚度在0.174 ～ 0.2 mm，因此取管壁附近2 mm(邊界層厚度的10倍)的區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象(圖2左側(cè)線(xiàn)框)，通過(guò)分析得到近壁處局部渦量。

2.1 渦量分布規(guī)律

當(dāng)φ和Φ分別為5%和1.5 mm時(shí)，不同Re下渦量如圖2所示。整體渦量主要呈正負(fù)分布在螺旋與流體接觸的管壁周?chē)f(shuō)明流體存在旋流運(yùn)動(dòng)，增強(qiáng)了管壁區(qū)域(x/r=±1.0)流體擾動(dòng)程度。圖3是Re為33 000、Φ為1.5 mm工況下，不同體積分?jǐn)?shù)渦量云圖。由圖3可以看出，渦量整體分布位置大致相似，主要集中分布在螺旋與管壁之間，渦量最大值隨著顆粒體積分?jǐn)?shù)增大而增大。而Re為33 000、φ為5%時(shí)，不同顆粒粒徑下渦量云圖分布如圖4所示。渦量最大值隨著Φ增大逐漸變小，且分布變得稀疏。三者對(duì)管內(nèi)渦量的影響分布規(guī)律相似，渦量主要分布在螺旋與管壁之間，管中心位置(x/r=0)渦量較少。

對(duì)比圖2、3、4和試驗(yàn)觀察，可知：隨Re增加，螺旋振動(dòng)頻率及流場(chǎng)擾動(dòng)增大，導(dǎo)致旋流更加劇烈及沿半徑運(yùn)動(dòng)范圍變大；隨著φ增加，或隨著Φ減小，管內(nèi)顆粒數(shù)目增多，導(dǎo)致顆粒與壁面、顆粒與顆粒、顆粒與螺旋的碰撞愈加頻繁，使得流場(chǎng)內(nèi)的顆粒旋轉(zhuǎn)角速度變得更大，進(jìn)而渦量值變大。

為了進(jìn)一步量化3個(gè)運(yùn)行參數(shù)對(duì)流場(chǎng)影響，分別計(jì)算在不同工況和截面上的平均渦量。圖5為Re、φ、Φ對(duì)平均渦量的影響。由圖5可知：在試驗(yàn)范圍內(nèi)，局部渦量與Re、φ呈正相關(guān)，但與Φ呈負(fù)相關(guān)。且Re對(duì)局部渦量分布影響因素最大，φ因素次之，最小影響因素為Φ。

圖2 不同雷諾數(shù)下的流體渦量云圖Fig.2 Fluid vorticity cloud diagram under different Reynolds numbers

圖3 不同顆粒體積分?jǐn)?shù)流體渦量云圖Fig.3 Fluid vorticity cloud diagram with different particle volume fractions

圖4 不同顆粒粒徑下流體渦量云圖Fig.4 Fluid vorticity cloud diagram under different particle sizes

Re對(duì)平均渦量影響如圖5(a)所示，在Re小于30 800時(shí)，平均渦量隨著Re增加呈迅速增長(zhǎng)趨勢(shì)，但在Re大于30 800后，渦量增長(zhǎng)變緩，漸漸趨于穩(wěn)定。同時(shí)可以看到，局部渦量平均值隨Re變化規(guī)律與整體渦量平均值趨于一致，且遠(yuǎn)大于整體渦量平均值。在Re=33 000時(shí)，局部渦量、整體渦量平均值分別為145.4和93.3 s-1，相較于整體渦量提高55.8%，螺旋與顆粒共同作用使得圓管管壁區(qū)域流體湍流更加強(qiáng)烈，這將促進(jìn)換熱。

圖5 雷諾數(shù)、顆粒體積分?jǐn)?shù)、顆粒粒徑對(duì)平均渦量的影響Fig.5 Influences of Reynolds number, particle volume fraction, and particle size on the average vorticity

由圖5(b)可知：①對(duì)于整體渦量，體積分?jǐn)?shù)為5%工況相比于體積分?jǐn)?shù)為1%時(shí)平均渦量提升21.3%，說(shuō)明隨著φ增加，顆粒與流體之間的碰撞變得更加劇烈，加速了渦流形成;其中體積分?jǐn)?shù)為3%～5%相較于體積分?jǐn)?shù)為1%～3%時(shí)渦量大幅度提升；其主要原因是在管內(nèi)空間一定時(shí)，管內(nèi)顆粒體積分?jǐn)?shù)越大，顆粒與壁面、顆粒與顆粒之間的碰撞幾率會(huì)增加，在圓管內(nèi)易形成湍流，使得管內(nèi)平均渦量增大。②對(duì)于局部渦量，體積分?jǐn)?shù)為5%工況相較于體積分?jǐn)?shù)為1%下，其平均渦量增長(zhǎng)了24.6%，局部渦量增長(zhǎng)趨勢(shì)與整體渦量相似，但是其增長(zhǎng)幅度遠(yuǎn)大于整體渦量;主要原因是隨著顆粒數(shù)目增多，顆粒在螺旋引導(dǎo)下，隨流體運(yùn)動(dòng)中更多顆粒運(yùn)動(dòng)至管壁，顆粒與管壁碰撞加劇，顆粒易對(duì)管壁流體造成更強(qiáng)擾動(dòng)，促進(jìn)渦量形成，邊界層被加劇削弱，這將更有利于流體換熱。

由圖5(c)可知：圓管整體渦量和局部渦量平均值皆隨粒徑增大而減小，二者變化趨勢(shì)是相似的。對(duì)于整體渦量，相比于Φ=5 mm，Φ=1.5 mm的工況下整體渦量平均值提升了1.5%；對(duì)于局部渦量，Φ=1.5 mm其渦量平均值較Φ=5 mm增長(zhǎng)了5.9%；且增長(zhǎng)速率較圓管整體渦量平均值大4.4%，表明渦量主要集中于管壁附近，管中心渦量較少，與渦量云圖的分布較為一致;其主要原因是在相同體積分?jǐn)?shù)時(shí)，Φ=1.5 mm亞克力顆粒數(shù)目是Φ=5 mm的37倍，其流場(chǎng)中顆粒數(shù)更多，在管內(nèi)分布更均勻及旋流引導(dǎo)下，更多顆粒運(yùn)動(dòng)至圓管內(nèi)壁周?chē)?，加?qiáng)顆粒與壁面之間的碰撞頻率，減弱邊界層附近的黏滯力，使得熱量更便捷通過(guò)邊界層(誤差棒代表相應(yīng)平均渦量標(biāo)準(zhǔn)差)。

2.2 徑向速度規(guī)律

管內(nèi)流體徑向速度分布對(duì)于換熱管傳熱效率有一定影響，徑向速度越大，越有益于管中心與管壁流體之間的置換。

不同Re、φ、Φ下的徑向速度均呈正負(fù)波動(dòng)型分布，徑向速度在管壁處相較于管中心位置明顯大許多。由圖6可知，隨著Re、φ增大，徑向速度峰值也逐漸增大，而顆粒粒徑與之相反。

圖6 雷諾數(shù)、顆粒體積分?jǐn)?shù)、顆粒粒徑對(duì)徑向速度影響Fig.6 Influences of Reynolds number, particle volume fraction and particle size on radial velocity

由圖6(a)可知，管內(nèi)顆粒受到螺旋影響呈現(xiàn)為螺旋流運(yùn)動(dòng)，隨Re增加流體離心力增大，徑向速度增大。Re=33 000下最大徑向速度為0.097 8 m/s，相較于Re=26 400提升108.5%。由于徑向速度增大，增強(qiáng)了管內(nèi)主流區(qū)與邊界層之間流體交換頻率，降低溫度梯度，傳熱阻力減小。

由圖6(b)可知，φ為5%時(shí)，其最大徑向速度為0.097 m/s，相較于φ為1%時(shí)增長(zhǎng)了67.24%。在管道體積一定情況下，φ越大，管內(nèi)顆粒數(shù)越大，影響的流體區(qū)域更多，主流區(qū)域與管壁區(qū)域的流體混合和交換更為均勻，使得管內(nèi)流體與管壁之間熱量傳遞變得更加容易。

不同Φ下徑向速度分布如圖6(c)所示，徑向速度峰值隨顆粒粒徑減小而增大。在相同體積分?jǐn)?shù)下粒徑越小，管內(nèi)顆粒數(shù)量越大，因此在流場(chǎng)中顆粒與顆粒、螺旋、壁面之間相互碰撞幾率增加，可提高流體徑向交換程度。

2.3 湍動(dòng)能分布規(guī)律

不同Re下湍動(dòng)能分布如圖7(a)所示，x/r=0表示管中心區(qū)域，x/r=±1.0為管壁區(qū)域，可知，Re越大，x/r=±1.0湍流程度越強(qiáng)烈，其邊界層附近的流場(chǎng)愈加紊亂。在x/r=0處，不同Re下湍動(dòng)能保持在一個(gè)穩(wěn)定范圍內(nèi)，當(dāng)Re越大，對(duì)于中心區(qū)域的湍動(dòng)能，高雷諾數(shù)工況要略大于低雷諾數(shù)工況。

圖7 雷諾數(shù)、顆粒體積分?jǐn)?shù)、顆粒粒徑對(duì)湍動(dòng)能分布影響Fig.7 Influences of Reynolds number, particle volume fraction and particle size on distribution of turbulent kinetic energy

不同φ下湍動(dòng)能分布如圖7(b)所示。不同φ下的湍動(dòng)能均在管壁區(qū)x/r=±1.0處具有最大湍動(dòng)能，且管壁區(qū)域x/r=±1.0的湍流程度與顆粒體積分?jǐn)?shù)呈正相關(guān)。顆粒體積分?jǐn)?shù)越大，x/r=0區(qū)域流速會(huì)越小，高體積分?jǐn)?shù)顆粒會(huì)導(dǎo)致中心區(qū)域流體的波動(dòng)速度變小，因此低體積分?jǐn)?shù)下的中心流域湍動(dòng)能要略高于高體積分?jǐn)?shù)工況。

不同Φ下湍動(dòng)能分布如圖7(c)所示。不同Φ湍動(dòng)能均在管壁處具有最大湍動(dòng)能，Φ越小，湍流程度越大；從x/r=-1.0壁面到近壁面x/r=-0.7區(qū)域湍流強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，這是因?yàn)檫h(yuǎn)離壁面區(qū)域，速度波動(dòng)幅度變小。同時(shí)在管中心區(qū)域，對(duì)于粒徑小的顆粒，其運(yùn)動(dòng)阻力越小，導(dǎo)致其速度越大，因此粒徑小的工況其湍動(dòng)能優(yōu)于顆粒粒徑大的工況。

由圖7可知，湍動(dòng)能最大值均在管壁與螺旋接觸位置。在管中心位置，湍動(dòng)能隨著Re增大而增大，隨著φ數(shù)和Φ增大而減小。

為進(jìn)一步量化分析不同Re下湍動(dòng)能，采用湍動(dòng)能數(shù)值沿徑向積分得到平均湍動(dòng)能。在試驗(yàn)范圍內(nèi)，平均湍動(dòng)能與Re呈正相關(guān)，Re為33 000平均湍動(dòng)能相較于Re為26 400提升75.48%(圖8(a))。說(shuō)明Re越高，湍流強(qiáng)度越大，流體間的質(zhì)點(diǎn)碰撞越激烈，導(dǎo)致管壁與流體之間能量交換越快，優(yōu)化傳熱效果越好。

圖8 雷諾數(shù)、顆粒體積分?jǐn)?shù)、顆粒粒徑對(duì)平均湍動(dòng)能影響(誤差棒代表平均湍動(dòng)能標(biāo)準(zhǔn)差)Fig.8 Influences of Reynolds number, particle volume fraction, and particle size on the average turbulent kinetic energy (error bars representing standard deviation of mean turbulent kinetic energy)

平均湍動(dòng)能隨φ增大而增長(zhǎng)，相比于φ為1%，φ為5%的平均湍動(dòng)能提升16.7%，φ越大，顆粒越易破壞流動(dòng)邊界層，從而加劇湍流強(qiáng)度，有利于液固之間換熱(圖8(b))。但在增長(zhǎng)幅度為4%～5%相較于增長(zhǎng)幅度為1%～4%具有下降趨勢(shì)，主要原因是隨著φ增大，固體顆粒增多時(shí)可能阻礙流體流動(dòng)，流體平均湍動(dòng)能增長(zhǎng)幅度下降。

如圖8(c)所示，平均湍動(dòng)能與Φ呈負(fù)相關(guān)，Φ為1.5 mm平均湍動(dòng)能相比于Φ為5 mm提升9.83%，說(shuō)明Φ越小，湍流強(qiáng)度越大。將管內(nèi)流體充分混合，速度梯度變小，能有效減小流動(dòng)邊界層厚度，有利于熱量傳遞。

由圖8可知，其平均湍動(dòng)能規(guī)律與湍動(dòng)能分布規(guī)律相似。在管壁附近，皆與Re、φ呈正相關(guān)，與Φ呈負(fù)相關(guān)。

3 結(jié) 論

(1)整體渦量、近壁面區(qū)域平均渦量均與Re、φ呈正相關(guān)，但與Φ呈負(fù)相關(guān)；且近壁區(qū)域平均渦量比整體平均渦量增幅大，內(nèi)插螺旋液固兩相流可促進(jìn)流體傳熱。

(2)在不同Re、φ和Φ下，徑向速度均呈正負(fù)波動(dòng)，徑向速度峰值與Re、φ呈正相關(guān)，但與Φ呈負(fù)相關(guān)；提升徑向速度，使主流區(qū)域與管壁區(qū)域的流體混合更為均勻，有利于熱量傳遞。

(3)在試驗(yàn)范圍內(nèi)，Re為33 000比Re為26 400的平均湍動(dòng)能提高81.7%，φ為5%比φ為1%的平均湍動(dòng)能提高16.7%，Φ為1.5 mm比Φ為5 mm的平均湍動(dòng)能提高9.83%。