基于场协同理论的波纹管强化换热的数值模拟研究.pdf

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1、558化工机械2015矩基于场协同理论的波纹管强化换热的数值模拟研究4战洪仁料曹颖侯新春王立鹏李雅侠(沈阳化工大学能源与动力工程学院)摘要应用Fluent软件对5种结构的波纹管内的传热与流动进行了数值模拟，并与相同当量直径的圆管进行了对比，结果表明，波纹管周期对Ⅳ“数的影响较大，且周期与幅值比S／a为8．17时，波纹管换热效果最好。基于场协同理论分析了波纹管的局部换热效果，研究表明，波纹管波峰处可获得较好的场协同性，换热效果最好．波谷处协同作用最差：关键词换热器波纹管场协同理论传热与流动中图分类号TQ051．5文献标识码A文章编号0254

2、-6094(2015)04-0558-05换热器是应用非常广泛的换热设备，强化换热器的换热效果一直是国内外学者的研究热点。研究表明，改变换热管结构可明显增强换热效果⋯。波纹管良好的弹性使其具有较强的自除垢特性，因而被国内外学者广泛研究。国内相继有学者对波纹管结构进行研究，结果发现，正弦波纹换热管的综合传热性明显优于其他结构形式的波纹管旧’3

3、。但关于正弦波纹管局部结构对其传热和流动特性的影响的研究较少。GuoZY等从速度场和温度场相互配合的角度分析，提出了对流换热的场协同原理，它能够清晰地显示波纹管内部每一点的换热效果HjJ，为改变波纹管

4、结构以强化换热提供了理论指导。笔者运用Fluent软件，采用模平均角旧1计算公式来计算场协同角，并以此作为波纹管强化传热场协同性的评价标准，分析不同结构波纹管及其局部的换热机理，研究换热管结构对流动和换热性能的影响。1计算模型和数值条件波纹管管内传热与流动过程受物理守恒定律的支配，即必须遵循质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律。计算流体动力学的控制方程是对这些守恒定律的数学描述，控制方程的通用形式为‘7i：丛碰at+d妇(pw)=d妇(L肛螂)+34,UV／J)l71笔者选取的正弦波纹管模型如图1所示，当量直径d均取19mm，具体结构

5、参数见表1。J＼／、厂、、＼／＼／＼．八．／—一、＼／＼．／＼—一图1正弦型波纹管模型表1波纹管几何尺寸mm流体在波纹管内周期性流动，为了使波纹管充分发展，对管道进行数值模拟计算。选择基于压力的隐式稳态求解器，采用非结构化的六面体}辽宁省博士科研启动基金项目(20141085)。{女战洪仁，女，1964年6月生，教授。辽宁省沈阳市，110142。第42卷第4期化工机械559网格。能量与动量方程的离散格式采用Quick格式，压力与速度耦合方式采用Simplec算法，收敛条件为连续性方程、动量方程和能量方程的计算残差均小于10～。以水为工质，

6、人口速度分别取0．3、0．5、0．8、1．0、1．2、1．5m／s。采用质量流量入口(mass—flow．inlet)，压力出口(pressure—outlet)。进口温度300K，管壁温度为恒定值350K。无速度滑移壁面边界条件。不考虑壁面厚度，忽略重力的影响。2计算结果与分析2．1结构参数对波纹管内换热性能的影响Re数a．不同周垮图2为不同换热管(5种结构波纹管和相同当量直径的圆管)的平均Nu数与Re数的关系曲线，从图2可以看出：在研究范围内，Re数相同时，波纹管的Nu数明显高于圆管的；波纹管幅值相同时，其Nu数随着周期的增大而增大；

7、波纹管周期相同时，在低Re数下，幅值的变化对Nu数基本没有影响，当尺e≥10000时，随着m数的增大，Nu数随幅值的增大而增大。综合研究结果可知，在研究范围内，增大波纹管的幅值与周期能够增强波纹管的换热效果，其中波纹管的周期变化对换热效果的影响比较大。肫数不同幅值图2不同换热管的平均Nu数与Re数的关系曲线2．2结构参数对波纹管内摩擦阻力的影响通过数值模拟计算出各换热管(5种结构波纹管和相同当量直径的圆管)的摩擦阻力系数厂随Re数的变化(图3)。从图3可以看出：波纹管的摩擦摩擦阻力系数比相同当量直径的圆管的磨蠢垛5莲逖蛰肫数a．小同周j9

8、蠡垛三E避墼擦阻力系数高很多；幅值相同时，随着波纹管周期S的增大，摩擦阻力系数逐渐增大；周期相同时，管内摩擦阻力系数随着幅值的增大而增大。但是从图中可以看出，幅值对摩擦阻力系数的影响程度相对较大。舶数4；M幅值图3不同换热管摩擦阻力系数厂随Re数的变化560化工机械2015焦2．3传热强化综合因子传热强化综合因子田是衡量传热性能的一个通用综合性指标，其评价采用Webb提出的方法‘引：Nu／Nuo旷丽式中厂‘——波纹管和圆管内流体的流体阻力系数；ⅣH、J7、，“。——波纹管和内流体的努塞尔数。若以提高强化传热的综合性能为目标，则需考虑温度梯

9、度Vu之间的协同性，协同角越大，传热强化综合因子田越高。图4为波纹管的传热强化综合因子随尺e数的变化情况。从图4可以看出：换热管传热强化综合因子均随尺e数的增加先减小后逐渐增大，周期与幅值的比