超聲波與肋片協(xié)同傳熱的模擬研究

王小伍,余天強,林立泰

(華南理工大學(xué)物理與光電學(xué)院,廣州 510640)

工業(yè)上一般利用在換熱管表面加工肋片來強化傳熱,此外,利用超聲波也可以獲得較高的強化傳熱效率,超聲波強化傳熱得到了國內(nèi)外研究者的關(guān)注。MONGKOLKITNGAM[1]的研究表明,超聲波的強化傳熱率最高可達82.4%以上。RAKPAKDEE[2]等研究了對圓柱形容器內(nèi)的水施加25 kHz的超聲波的條件下的傳熱情況,結(jié)果表明超聲波對傳熱的影響與超聲波傳播方向有關(guān)。THUNGTHONG[3]等研究了超聲波在層流流體中的傳播以及聲流與流體流速之間的關(guān)系,他們的研究結(jié)果表明聲輻射將有助于氣泡核化。TAM等[4]研究了不同雷諾數(shù)下超聲振動對水平管內(nèi)強制對流換熱效率的影響。周定偉等[5]的結(jié)果表明,空化效應(yīng)可充分提高液體工質(zhì)的傳熱性能。ZHAO等人[6]通過實驗研究了液體汽泡成核以及振動的規(guī)律。DEHBANI[7]等概述了近年來超聲波強化對流換熱的現(xiàn)狀。

若對加裝肋片的換熱管同時使用超聲波強化傳熱,肋片將影響聲波的傳播,沸騰傳熱時,肋片形成的孔隙結(jié)構(gòu)更是氣泡核化場所,與聲場造成的空化泡密切相關(guān)。但是,從以上文獻來看,超聲強化傳熱的研究主要集中在超聲波方面,而對于肋片管與聲波的協(xié)同強化傳熱作用研究較少。本文通過COMSOL軟件模擬了超聲波在肋片管周圍的分布特點,分析了肋片高度對聲場的影響。

1 物理模型

1.1 換熱管幾何形態(tài)

圖1(a) 給出了本文討論的肋片換熱管的幾何形狀。管外壁環(huán)狀分布有6條軸向肋片,每條肋片沿軸扭轉(zhuǎn)角度為60°,換熱管內(nèi)部為熱流體流動空間,外部為冷流體流動空間,冷、熱流體沿軸向相向流動。冷流體外壁的一小區(qū)域內(nèi)放置正弦超聲波波源,法向振動加速度為1×105sin2πft(SI),f為超聲波頻率,本文取43 000 Hz。冷流體流場中的A、B、C三點位于平行于軸線的同一平面內(nèi)且處于垂直軸線的同一直線上,與流體入口、出口距離相等,與聲波波源中心的直線距離分別為3.23 cm、3.35 cm、3.91 cm。

圖1 肋片換熱管幾何形狀以及網(wǎng)格劃分

1.2 網(wǎng)格劃分及模擬參數(shù)設(shè)置

利用COMSOL模擬時,采用壓力聲學(xué)和共軛傳熱(層流)接口,構(gòu)建多物理場耦合。

流動方程為:

(1)

?·(ρu)=0

(2)

式中:ρ為流體密度,kg/m3;u為流體運動速度,m/s;t為時間,s;P為流體壓強,Pa;F為外力,N。

聲學(xué)控制方程為:

(3)

式中:c為流體中的波速,m/s。

如圖1(b)所示,網(wǎng)格采用自由正四面體,限制域和邊界層最大單元尺寸分別小于0.06 dm和0.03 dm,網(wǎng)格包含 685 877 個域單元、45 700個邊界單元和 4 647 個邊單元。當限制域和邊界層最大單元尺寸分別小于0.05 dm和0.02 dm時,溫度的模擬結(jié)果相對差別小于0.01%,因此可以認為本文的網(wǎng)格質(zhì)量達到了要求。計算模式為瞬態(tài)。模擬時用到的參數(shù)如表1所示。

表1 肋片管尺寸以及聲場參數(shù)

2 模擬結(jié)果

2.1 溫度分布

圖2為采用無肋片光管傳熱時,冷流體中A、B兩點的溫度隨時間的變化曲線。

圖2 光管周圍流體溫度變化

如圖2所示,在沒有肋片強化傳熱的情況下,截至t=120 s,A、B兩點的流體溫度幾乎沒有差別,相比冷流體入口溫度也僅有少許上升,且隨時間起伏,時間t=59.5 s時,A、B兩點的溫度僅上升了0.1 K。

當采用肋片高度為0.5 cm的肋片管傳熱時,冷流體中A、B兩點的溫度隨時間的變化曲線如圖3所示。從圖3可見, A、B兩點的流體溫度迅速上升,t=6.5 s后,位于肋片、管外壁圍成的三面封閉槽道空間內(nèi)的A點溫度達到了299.1 K, A點與換熱管內(nèi)熱流體傳熱達到穩(wěn)態(tài),溫度基本上保持穩(wěn)定。t=6.5 s時,B點溫度達到295.0 K,由于B點位于槽道外部,易受遠場流體以及來流流體影響,溫度隨時間在小的幅度范圍內(nèi)稍有起伏。

圖3 肋片管周圍流體溫度變化

對比圖2和圖3,可以明顯看出肋片的強化傳熱效果。肋片的強化傳熱機理在于不但增加了傳熱面積,而且由于肋片對來流的擾動,減小了邊界層厚度,根據(jù)文獻[6],在出現(xiàn)沸騰傳熱時,肋片、管外壁之間的微小空間還能成為核化點,促進氣泡的成形。

2.2 流場內(nèi)聲場分布

圖4為光管周圍A、B兩點的聲場分布特點。從圖4中可以看出,A、B兩點的絕對聲壓均出現(xiàn)周期性的變化,雖然A、B兩點與波源的直線距離分別為3.23 cm、3.35 cm,但是出現(xiàn)第一個峰值的時間均略大于波沿直線傳到A、B點所需要的時間,且這種峰值時間滯后的現(xiàn)象隨時間增加愈加明顯,但不隨時間線性疊加,由于B點位于冷流體中部,B點第一個峰值滯后時間小于A點,但是從第三個周期開始,兩點峰值出現(xiàn)的時間相同,顯然這是由于流體流動對聲波的影響。A、B兩點的絕對聲壓峰值隨聲波周期數(shù)增加而增加,第一個周期內(nèi)A點的峰值與B點的峰值幾乎相等,但第二、三個周期內(nèi)A點的峰值與B點的峰值差距逐漸變大,這表明聲場對溫度場的影響將隨場點與波源的距離變化。

圖4 光管周圍的聲場

圖5為肋片高度為0.5 cm的肋片管周圍聲場的分布。從圖5中可以看出, A、B兩點的峰值出現(xiàn)時間同樣滯后于聲波沿直線傳播到A、B兩點的時間,絕對聲壓出現(xiàn)周期性的變化, A點峰值大于B點峰值。

與圖4對比,肋片管中A、B兩點各個峰值的出現(xiàn)時間基本上大于光管中各個對應(yīng)峰值的出現(xiàn)時間。肋片管中B點的各個峰值與光管中B點對應(yīng)的各個峰值較為接近,肋片管中A點的各個峰值均大于光管中A點對應(yīng)的各個峰值,且隨著時間增加,兩種管在A點的各個對應(yīng)峰值的差別增加,在B點的各個對應(yīng)峰值的差別減小。顯然,這是由于肋片結(jié)構(gòu)的影響,肋片使得其周圍溝槽內(nèi)聲場分布更強,從而強化冷流體與熱流體的換熱,隨著時間增加,遠場聲場也在加強,從而使得超聲波能影響遠場冷流體間的傳熱。

2.3 肋片高度對聲場分布的影響

圖6為肋片高度分別為0.3 cm、0.5 cm、0.7 cm的肋片管流場中A、B、C三點的聲場分布。由圖6可以看出,不管在A、B還是C點,肋片高度為0.5 cm的肋片管各個聲壓峰值都大于其他肋片管的對應(yīng)點聲壓峰值。肋片高度太小,肋片形成的溝槽區(qū)域較小,溝槽范圍內(nèi)超聲波聲強也較小,無法更有效實現(xiàn)超聲波協(xié)同流場進行對流傳熱,而肋片高度太大,肋片對流場干擾增強,肋片自身超聲波消耗的超聲波能量也較大。

圖6 肋片高度與聲場分布的關(guān)系

圖7為肋片高度分別為0.3 cm的肋片管內(nèi)的聲壓(t=80 μs)和溫度(t=120 s)圖像。從圖7中可以看出,當t=80 μs時,受流體流動的影響,超聲波能量在肋片管內(nèi)軸向以及徑向分布并不對稱,能量主要集中在肋片管中部,聲強最大值位于溝槽內(nèi)。t=120 s時,熱流體入口處的內(nèi)管壁面溫度最高,出口處壁面溫度也達到了353 K,但在外部冷流體中,位于冷流體出口附近的溝槽內(nèi)的流體溫度達到了328 K,溝槽其余位置處的冷流體溫度大多在300 K左右。

圖7 肋片管內(nèi)的聲壓和溫度圖像

3 結(jié)語

本文通過COMSOL軟件模擬了超聲波在無肋片光管、肋片管周圍的分布特點,分析了肋片對聲場的影響,討論了肋片、超聲波協(xié)同傳熱的機理。模擬結(jié)果表明,由于受到肋片的影響,流場中聲壓峰值出現(xiàn)的時間均略大于波沿直線傳播到場點的時間,溝槽內(nèi)的聲壓峰值大于采用無肋片光管傳熱時對應(yīng)點峰值,肋片高度為0.5 cm的肋片管在A點的聲壓比光管在A點的聲壓高17%～60%。在工程應(yīng)用中,肋片高度設(shè)計得太大或者太小,超聲波均不能最有效地協(xié)同流場進行對流傳熱,肋片高度為0.5 cm的肋片管在A點的聲壓比肋片高度為0.3 cm、0.7 cm的肋片管在A點的聲壓分別高12%～27%、13%～17%。