賽洛噴槍旋流器結(jié)構(gòu)的換熱特性研究

范孝鋒，王強(qiáng)，徐迅，何靖

（1.衢州華友鈷新材料有限公司，浙江 衢州 324000；2.昆明理工大學(xué) 冶金與能源工程學(xué)院，云南 昆明 650000）

奧斯麥特和艾薩熔煉工藝是利用賽洛噴槍分別把空氣與燃料噴入熔池內(nèi)，以達(dá)到強(qiáng)化傳熱、傳質(zhì)效率和化學(xué)反應(yīng)速率的熔煉方式[1]。但由于噴槍長期處于高溫、惡劣的環(huán)境中，因此換熱效果的優(yōu)劣會直接影響噴槍壽命的長短。改善換熱條件最有效的方式就是在空氣通道中設(shè)置旋流片，增大換熱面積，強(qiáng)化擾動，從而降低噴槍壁面溫度[2]。周水洪等指出旋流片強(qiáng)迫流體做螺旋流動，使流體沖刷壁面，能減薄換熱邊界層，增強(qiáng)換熱效果，同時也會產(chǎn)生一定的壓力損失[3-5]。周期性布置的旋流片能產(chǎn)生衰減性的旋流，綜合換熱效果較好。此外，旋流器結(jié)構(gòu)是影響其綜合傳熱性能的主要因素。劉佳駒等對比研究了螺旋管換熱器和光管換熱器，研究表明螺旋管換熱器綜合換熱性能優(yōu)于光管，且換熱量增量遠(yuǎn)大于功耗倍數(shù)[6]。張俊霞等采用數(shù)值模擬計(jì)算了套管換熱器的不同出口位置和傾角對換熱特性的影響，結(jié)果表明套管出口位置對換熱量影響很大，傾角對其影響較小[7]；Iman Bashtani等研究了帶有3個不同波幅的波紋管式換熱器[8]。結(jié)果表明，在雷諾數(shù)相似的情況下，使波紋的努塞爾數(shù)增加、平均努塞爾數(shù)約為簡單換熱器的1.75倍。綜上所述，旋流器結(jié)構(gòu)對換熱效果影響顯著，本文主要結(jié)合數(shù)值模擬深度研究不同結(jié)構(gòu)旋流器換熱特點(diǎn)。

1 模型建立

1.1 數(shù)學(xué)模型

連續(xù)性方程、動量方程和能量方程通過CFD FLUENT進(jìn)行求解，連續(xù)性方程、動量方程、能量方程分別見式（1）~式（3）：

式中：ρ、u和h分別是流體的密度、速度和焓值。

使用Boussiesq假設(shè)，可以將雷諾應(yīng)力張量和湍流通量描述如下：

能量方程(3)可以重新排列為以下形式：

湍流模型選用SST K模型求解，方程如下：

式中：μt為流體的湍流黏性系數(shù)；Gk和Gw分別為k和ω方程湍流的動能；Yk和Yw為兩個方程的發(fā)散項(xiàng)；Dw為正交發(fā)散項(xiàng)。

1.2 物理模型及網(wǎng)格劃分

賽洛噴槍端部設(shè)置旋流片，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 賽洛噴槍結(jié)構(gòu)

噴槍內(nèi)管內(nèi)徑為5 mm，內(nèi)管外徑為6.35 mm，外管內(nèi)徑為14.3 mm，外管外徑為15.9 mm，旋流器長度為175 mm。旋流器入口已達(dá)到充分發(fā)展條件，出口無回流。

利用ICEM建立物理模型。網(wǎng)格劃分如圖2所示。對壁面附近網(wǎng)格加密，無量綱距離小于0.1，并以1.2的固定比值增加。網(wǎng)格質(zhì)量參數(shù)Quality mettics criterion最小值為0.45，保證了計(jì)算過程的收斂效果與準(zhǔn)確性。最大網(wǎng)格體積為7.376 333×10-9m3，最小網(wǎng)格體積為1.094 708×10-11m3，網(wǎng)格總數(shù)為117.65萬個。

圖2 計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分

1.3 邊界條件及工況

入口空氣質(zhì)量流量為104.125 635 kg/（m2·s），溫度為300 K，采用速度邊界條件；出口采用壓力邊界條件；外壁面施加70 000 W/m2的固定熱流密度；內(nèi)壁采用無滑移邊界條件；計(jì)算在常壓下進(jìn)行。本節(jié)使用SIMPLE算法來求解壓力—速度耦合，所有離散化方法均采用二階向上的離散化方案。在保證一定殘差數(shù)值下檢測不同位置流量、溫度、速度以監(jiān)查計(jì)算的收斂情況。

分別對螺距倍數(shù)（即螺距與直徑的比，用“x/d”表示）、肋片厚度m、肋片條數(shù)s、肋片高度e不同的結(jié)構(gòu)旋流器的幾種工況進(jìn)行計(jì)算，工況數(shù)據(jù)見表1。

表1 旋流器結(jié)構(gòu)工況

2 模型驗(yàn)證

2.1 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證

本文對網(wǎng)格進(jìn)行獨(dú)立性驗(yàn)證，對外壁面施加同一固定熱流，在相同的空氣流量下，對外壁面上溫度進(jìn)行對比。當(dāng)軸向網(wǎng)格數(shù)為63，周向網(wǎng)格數(shù)為56時，繼續(xù)增大網(wǎng)格數(shù)量，計(jì)算結(jié)果基本相同，證明此時網(wǎng)格具有獨(dú)立性。

2.2 數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證

Solnordal和Gray的研究表明，當(dāng)旋流器螺距為0.9~1.2倍外徑時，其傳熱系數(shù)可比光管提高2.35倍。論文驗(yàn)證結(jié)果見圖3。這表明旋流器管內(nèi)壁面的換熱系數(shù)與光管的比值在2.33~3.10倍，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相近，證明論文數(shù)學(xué)模型已經(jīng)達(dá)到計(jì)算要求。

圖3 旋流器與軸流式套管換熱系數(shù)

3 結(jié)果分析

3.1 不同螺距倍數(shù)旋流器對換熱效果的影響

在s=1條、m=15°、e=7.95 mm的條件下，不同螺距倍數(shù)(x/d)對應(yīng)的旋流器溫度情況見圖4。

圖4 不同螺距倍數(shù)對應(yīng)的旋流器溫度情況

由圖4可知，設(shè)置旋流器能大幅度降低壁面溫度，且螺距倍數(shù)越小，計(jì)算區(qū)域溫度場和外壁面溫度越低。這主要是因?yàn)闇p小螺距倍數(shù)可以增強(qiáng)流體擾動能力及壁面的對流換熱效果；另外，旋流片面積的增加使換熱面積增大，從而旋流片傳導(dǎo)到內(nèi)管的熱量也會隨之減小。

3.2 不同肋數(shù)旋流器對換熱效果的影響

在x/d=3、m=15°、e=7.95 mm的條件下，不同肋數(shù)對應(yīng)的旋流器溫度情況見圖5。

由圖5可知，旋流器外壁面溫度主要分布在350~430 K，且肋片數(shù)目越多，計(jì)算區(qū)域溫度場和外壁面溫度越低，降低效果顯著。這是因?yàn)橐环矫?，增加肋片?shù)意味著增加了內(nèi)外管之間的導(dǎo)熱通道，提高管間導(dǎo)熱熱流；另一方面，因?yàn)樾髌瑪?shù)目的增加，增大了管壁與流體的換熱面積，被空氣帶走了更多的熱量。

圖5 不同肋數(shù)對應(yīng)的旋流器溫度情況

3.3 不同肋厚旋流器對換熱效果的影響

在x/d=3、s=1條、e=7.95 mm的條件下，不同肋厚對應(yīng)的旋流器溫度情況見圖6。

圖6 不同肋厚旋流器溫度情況

由圖6可知，肋片厚度對計(jì)算區(qū)域溫度場影響較小，增加肋片厚度只能較小程度降低旋流器外壁面溫度。這是因?yàn)槔咂穸仍黾?，只能小幅度減小流道面積，對流速、換熱系數(shù)和導(dǎo)熱能力增強(qiáng)的效果有限。

3.4 不同肋高旋流器對換熱效果的影響

在x/d=3、s=1條、m=15°的條件下，不同肋高對應(yīng)的旋流器溫度情況見圖7。

圖7 不同肋高對應(yīng)的旋流器溫度情況

由圖7可知，肋片高度對計(jì)算區(qū)域溫度場和外壁面溫度有較大的影響。肋片高度越高壁面溫度越低，且肋片連接內(nèi)外管時壁面溫度降低幅度更大。這是因?yàn)?，肋片高度越高換熱面積越大，空氣帶走的熱量越多。另外，肋片高度越高，流道截面積越小，流體流速越快，也能增強(qiáng)換熱效果。此外，肋片連接內(nèi)外管時，內(nèi)管也成為增大換熱面積的一部分，從而進(jìn)一步提高換熱能力。

3.5 不同噴槍結(jié)構(gòu)對綜合換熱效果的影響

雖然改變旋流片結(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)其換熱能力，但也會增大內(nèi)部的阻力損失，因此本文選用Webb和Kim提出的一種應(yīng)用廣泛的評估標(biāo)準(zhǔn)(PEC)[11]來評估各結(jié)構(gòu)旋流片的綜合換熱效果。4種旋流器綜合換熱效果如圖8所示。

圖8 不同結(jié)構(gòu)旋流器的PEC值

由圖8(a)可知，PEC隨螺距比的減小而增大，說明在研究范圍內(nèi)，減小螺距比是一種增強(qiáng)綜合換熱能力的有效方式。由圖8(b)可知，采用兩片旋流片時，PEC值最大，說明旋流片數(shù)目為2時綜合換熱能力最強(qiáng)。由圖8(c)可知，肋高在3.975 mm時，PEC值最大，說明該肋片高度導(dǎo)致的流體湍流強(qiáng)度最大，壁面溫度邊界層最薄，綜合換熱能力最強(qiáng)。但是此評價方式只適用于對流換熱，此外當(dāng)肋片連接內(nèi)外套管時，旋流器的導(dǎo)熱對換熱效果存在一些影響。由圖8(d)可知，在研究范圍內(nèi)肋片越厚，PEC值增幅越小，總體來說對綜合對流換熱能力的影響較小。

4 結(jié)論

本文基于賽洛噴槍旋流器結(jié)構(gòu)的研究，建立了幾種不同結(jié)構(gòu)旋流器換熱的數(shù)值計(jì)算模型，計(jì)算并分析了各旋流器在固定熱流邊界條件下的旋流器外壁面溫度變化特性和綜合換熱能力。結(jié)論如下：1）旋流器外壁面溫度隨螺距比(x/d)的減小而減小，說明換熱強(qiáng)度隨著螺距比的減小而增強(qiáng)。同時，PEC值隨著螺距比的減小而增大，說明螺距比的減小也可以提高綜合換熱能力。2）旋流器外壁面溫度隨著肋片數(shù)量的增大而減小，說明肋片數(shù)目越多換熱能力越好。雙肋片時PEC值最大，說明此時綜合換熱效果最好，更經(jīng)濟(jì)實(shí)用。3）旋流片的外壁面溫度隨著肋片高度增大而降低，一方面是因?yàn)閾Q熱面積隨著肋片高度的增加而增大，另一方面是因?yàn)殡S著肋片增高，流道截面積減小，導(dǎo)致流速增大，換熱能力增強(qiáng)。此外，肋高為3.975 mm時PEC值最大，這說明在此結(jié)構(gòu)下，綜合對流換熱能力最強(qiáng)。4）肋厚對旋流器換熱能力無明顯影響。