超声空化对换热器换热效果影响的研究.pdf

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1、764化工机械2016钲超声空化对换热器换热效果影响的研究4张艾萍料夏荣涛丁权杨钊(东北电力大学能源与动力工程学院)摘要应用Fluent软件模拟了超声空化对换热器中不同管型(波纹管和横纹管)换热效果的影响，并应用场协同理论对数值模拟的结果进行了分析，结果表明：超声空化效应会增强换热管的换热效果，并且空化泡数量越多空化效果越明显；场协同数随着空化泡数的增加而减小，说明超声空化效应越明显，温度场与速度场的协同程度越差；在换热管入口和超声波加入点处的场协同数均大于无超声波影响处的场协同数，此时温度场与速度场的协同程度较好。关键词换热器数值模拟超声空化

2、努塞尔数场协同原理场协同数中图分类号TQ051．5文献标识码A文章编号0254-6094(2016)06-0764．07超声波防除垢技术在工业中的应用一般是通过“空化效应”来实现的。所谓“超声空化效应”是指液体中存在的微小气泡(蒸汽和气体的气泡或者真空泡)在超声波的作用下被激活，然后气泡不断的振荡、生长、收缩直至崩溃的一系列过程。在气泡崩溃的瞬间，局部范围内会产生高温、高压，并伴有强烈的微射流和冲击波¨1。早在1917年，Rayleigh发表了“液体中球形空腔崩溃时产生的压力”的论文，为以后的一切有关空化现象的理论研究奠定了坚实的基础嵋。。Va

3、nhileC和CamposPC通过数值模拟发现在较高振幅超声场的作用下液体中容易产生气泡，并且气泡的产生与非线性超声场有着很强的关系旧1。罗贤能等应用Matlab软件对液体中的声空化气泡的成长及破裂过程进行了数值模拟，得到了气泡壁的运动过程M1。王丹等对管道内超声波的防除垢技术机理及超声波特性进行了详细探讨”1。近年来的研究发现超声波不但具有防除垢功能而且还能影响换热器内流体的换热系数，对换热器的换热能力产生影响¨。。但是目前关于超声空化在换热方面的研究理论还不太成熟。笔者在前人的基础上，模拟了在双频超声波作用下波纹管和横纹管中空化泡的多少对换

4、热效果的影响，并应用场协同理论对换热效果进行了分析和评价，以实现超声波在换热器中防除垢和强化换热的双重效果。1模型的建立1．1物理和数学模型应用Fluent软件模拟超声空化对换热器换热效果的影响，其中波纹管和横纹管的长度均为1800mm，忽略壁厚对换热效果的影响。波纹管和横纹管的几何尺寸如图1所示。由于波纹管和横纹管均为三维轴对称图形，因此可将其简化为+国家自然科学基金项目(51476025)。一张艾萍，男，1968年2月生，教授。吉林省吉林市，132012。a．波纹鹤b．横纹符图1换热管结构尺寸第43卷第6期化工机械765二维模型，从而减少计

5、算量，达到快速收敛的目的。对波纹管和横纹管中超声空化效应的模拟采用Fluent中的空化模型、混合两相流模型和Standard湍流模型。流体在管内流动以及热量传递的过程中均满足连续性方程、动量方程和能量方程。混合两相流的连续性方程：素(pm)+蠹(pmut)=o(1)混合两相流的动量方程：塑Ot生+塑O≯x=一毒Ox+毒Ox[cuⅥ，(鬻Ox+善Ox)】+昭iA、“I：。『j’。(2)气泡动力学方程：业+半=爿⋯¨兹】+Re+RcOtOx(3)，L’¨fJ1．2初始条件和边界条件采用有限元差分法，二阶迎风差分格式，应用SIMPLEC算法处理速度与

6、压力耦合项。混合两项流中采用水的汽液两相作为工质。计算过程为非稳态，操作压强为标准大气压，并忽略重力的影响。能量方程、连续性方程以及动量方程的计算迭代误差均为1E-06。边界条件的设置如下：波纹管和横纹管的壁温均为350K，人口流体温度为300K。流体人口边界条件为velocityinlet，出口边界条件为pres-sureoutlet，内部为流体与固体耦合面，液固接触面间无滑移。使用正弦压力波代替超声波；在离管口100mm处加入正弦压力波，其中压力波入口边界条件为pressureinlet。1．3模型验证图2为波纹管和横纹管内努塞尔数随雷诺数

7、的变化关系图，其中波纹管和横纹管的模拟值是通过Fluent计算模拟软件得出的，波纹管的实验值参考文献[7]，横纹管的实验值参考文献[8]。通过模拟值与理论值对比分析，波纹管和横纹管中模拟值和实验值相对误差均在10％以内，可知所选模型正确，网格划分合理，边界条件设置正确，使用该方法计算可行。2计算结果及分析应用Fluent模拟软件来模拟在双频超声波的作用下超声空化效应对波纹管和横纹管换热效果的影响。所谓双频超声波是指超声波发射器能同时发出两种频率的超声波。根据相关文献可知，超声波频率越小，空化效果越明显。因此笔者采用双频超声波的频率均为20kHz

8、。另外，空化泡的数量对空化效果也会产生影响：空化泡太少空化效果不明显；空化泡太多，可能会导致管道堵塞，容易引起管道局部超温而损坏，同时超声波在流体中传