锅炉换热设备中螺旋槽管的数值模拟与结构参数优化

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1、第40卷第6期化工机械771锅炉换热设备中螺旋槽管的数值模拟与结构参数优化孟祥柏+李占峰赵志强扬学忠(南京工业大学机械与动力工程学院)摘要运用CFD技术对螺旋槽管进行了三雏数值模拟，并将其与光管进行对比，验证了螺旋槽管式换热器的强化传热机理。通过Fluent软件后处理分析了槽深e和螺距P对螺旋槽管阻力性能和换热性能的影响，并利用评价准则对其强化传热性能进行评估，得出P／e=10．00，e／d；=0．0250时槽管的综合性能最佳。关键词换热设备螺旋槽管强化传热Fluent数值模拟参数优化中图分类号TQ051．5文献标识码

2、A文章编号0254-6094(2013)06-0771-05在热电厂中，锅炉换热设备的投资占整个电厂总投资的70％左右，但管内的传热效率普遍较低，而且易结垢不易清洗，传热效率降低⋯。螺旋槽管是一种由普通光管通过轧制或用滚压形成螺旋槽道的高效换热管，利用螺旋形的突起，减薄边界层的厚度，提高湍流强度，起到强化传热和降低结垢的目的。近些年来，螺旋槽管越来越多地应用到换热设备中，但因管内流体的流动状态极其复杂，常伴有流动分离、二次流及旋转流等，通过实验方法进一步深入分析计算管内的流动阻力和换热系数已变得不再可行心“1。近几年来

3、，随着CFD技术的不断成熟，越来越多的人采用数值模拟的方法来模拟换热管内的速度和温度流场”o，在此基础上分析各种结构对传热过程的影响，并开发新型高效换热结构。笔者对螺旋槽管进行了CFD数值模拟分析，研究了结构参数对其流动性能和换热性能的影响，并对其结构参数进行了优化，以期找出最佳几何参数的管型，促进其在锅炉换热设备(例如空气预热器)中的应用。1研究对象图1为螺旋槽管的几何结构简图，笔者模拟计算了光管、5种槽深e(1．00、1．25、1．50、1．75、2．00mm)和3种螺距P(20、25、30mm)进行不同搭配的螺旋

4、槽管，其几何结构参数见表1，材料属性如下：材料名称08F材料规格qM0mm×2ram材料密度7850kg／m3头数1个导热系数49．8W／(m·K)比热容0．465kJ／(kg·K)p图1螺旋槽管尺寸简图表1螺旋槽管几何参数{盂祥柏，男，1988年9月生，硕士研究生。江苏省南京市，211816。772化工机械2013年(续表1)2湍流模型和数值方法螺旋槽管是一种具有周期性结构的强化传热管件，在管内流体达到充分流动的情况下，只需分析管道的几个周期单元就可以进行研究。笔者选取了某一段管件的两个周期结构，利用Gambit软件

5、建立三维模型，采用四面体的非结构化网格进行划分，计算模型如图2所示。在求解软件Flu-ent当中采用Adaption命令进行网格细化后，最终网格数在110万左右。采用有限体积法进行离散，采用高雷诺数心的k-e模型，辅以强化壁面函数法，分离式求解方法，压力一速度耦合则采用Simple算法进行计算旧1。图2螺旋槽管数值计算模型管内流体为空气，物性参数为等效温度下的常量，其导热系数为0．0242W／(m·K)，动力粘度为178．94mPa·s。进出口采用有压降的周期性边界条件，则有：“(戈，Y，2)=u(茗+2P，，，，z)

6、封(髫，Y，：)=秽(髫+2P，y，z)埘(x，)，，z)="(z+2P，y，：)(1)P(石，Y，。)一p(x+P，Y，z)=p(聋+P，Y，z)一p(石+2P，，，，z)71—71定义无因次温度9：÷—}，则D(省，y，z)=1b一1”@(菇+L，Y，z)=9(并+2￡，y，z)=⋯，其中，u为速度矢量，P为压力，丁为温度，￡为周期长度，瓦为管内流体的平均温度；壁面温度T。=300K，无滑移边界条件，即u=0，”=0，W=0；来流温度Tf=600K，给定质量流量q。3计算结果3．1速度分布在湍流状态下，对上述型号的

7、所有管子进行了不同流量下的三维数值模拟，以进口质量流量g=0．01kg／s的光管和5。管为例进行定性分析(图3)。l=：=：=：：=：!==竺：竺竺燮箜la．光管：篙兰警羔二§：。ofi彳t鼍笋兰《筹：：：：一．—’～二!：≥：：’一．二二：ji’一一+一!r———i———～——————]P””“”“刚“4”””’Ⅲm㈨w“omrU1．粥lb．5’管图3管内速度矢量分布图通过图3b可以看出，在管道中心，流体的主体流动和轴线平行；而在壁面处，流体周期性经过内部凸出部分，导致壁面处流体不断发生边界层第40卷第6期化工机械7

8、73分离，分离后的流体在凸出部分后部汇集，构成一个完整的分离区域。分离区内流体在经过下一个凸起处前与管壁再附产生漩涡，加快了流体的湍动程度，同时在分离边界上形成自由剪切层，将外部的流体与分离区域的流体分割开来。另一方面，分离区的上边界处涡流强烈作用于来流的主体部分，使得管内流体的速度梯度和湍流切应力都具有最大值。此外，分离流体与壁