低流速時波浪管內流動與傳熱特性數(shù)值分析.docx

1、2011年12月NuclearPowerEngineeringDec.2011文章編號：0258-0926(2011)06-0051-05低流速時波浪管內流動與傳熱特性數(shù)值分析朱升，孫中寧，范廣銘（哈爾濱工程大學核科學與技術學院，哈爾濱，150001）摘要：利用Fluent軟件，對低流速（0.0033m/s<i/<0.05m/s）情況下3種不同結構（曲率半徑為32mm,彎曲角度分別為45。、60。和75。）的波浪管內流動和傳熱特性進行數(shù)值研究。研究表明，彎曲角度對波浪管的流動和傳熱特性具有很大影響；在相同雷諾數(shù)（屋）時，波浪管的努塞爾數(shù)（他）和摩擦阻力系數(shù)（/）均有增加，振幅（A）

2、越大，/增加也越大，振幅波長比（n）對N的增大起著決定性作用；在20<e<300范圍內，波浪管的Nu最大可增加166.3%,同時/增長幅度為52.6%o關鍵詞：波浪管；流動；傳熱特性；數(shù)值研究中圖分類號：TL33文獻標志碼：A1前言通過提高換熱元件的綜合換熱性能以達到減小換熱器重量、體積和提高換熱效率的目的，是強化換熱領域的重要研究內容。迄今為止，人們已經(jīng)開發(fā)研制了多種結構形式的強化換熱元件，但由于受到加工工藝的限制，這些換熱元件多數(shù)不適合于高溫高壓換熱器。波浪管加工工藝簡單，不會對傳熱管表面產(chǎn)生破壞，且具有熱應力自補償能力，是一種很有發(fā)展?jié)摿Φ母咝Q熱元件。文獻1,2采用數(shù)值計算

3、的方法分別對2種結構形式波浪管的換熱及流動特性進行了研究，結果顯示波浪結構能夠較大幅度地提高換熱系數(shù)，同時引起的摩擦阻力系數(shù)增加幅度較小，Yang和PinChiang對正弦波浪管進行的實驗研究也證實了上述結果。目前，對波浪管強化換熱機理研究較少，缺乏對波浪管內溫度梯度及速度梯度的分布特性的研究。本文利用數(shù)值方法對低流速情況下小弧度圓弧結構波浪管內的流動及傳熱特性進行研究，并對管內溫度梯度及速度梯度分布特性進行分析，探索各結構參數(shù)對波浪管傳熱及流動特性的影響。2基本模型及方法2.1物理模型本文研究的3種不同波浪管的結構參數(shù)見表1波浪管結構參數(shù)TableIStructureParametersof

4、Micro-WavyTubest_曲半徑；e彎曲角度；J管道直徑；l單元波長，mm;A幅；"無世綱參數(shù)振幅波長比，p=A/L表lo每一種波浪管分別由若干結構參數(shù)一樣的單元組成，波浪管單元的幾何結構如圖1所示。2.2計算模型利用Pro-engineer繪圖軟件建立各波浪管的三維模型作為計算模型。通過多次試計算發(fā)現(xiàn)，流體在流過第一個單元后已處于充分發(fā)展階段。因此，在研究中建立了由3個波浪單元組成的計算模型，并對中間單元的流動與傳熱特性進行分析。在評價各波浪管的綜合傳熱性能時，以努塞爾數(shù)（血）及摩擦阻力系數(shù)（/）為指標：Nu=（1）收稿日期：2010-07-09;修回日期：2011-03-

5、17A2JAplu2p(2)式中，力為換熱系數(shù)，W/(m2X);詢?yōu)檠爻虊航?Pa；九為水的導熱系數(shù)，W/(mK)；Q為水的密度，kg/m3；I為流程長度，m；u為管內流速，m/So2.3網(wǎng)格劃分與邊界條件2.3.1網(wǎng)格劃分利用Gambit軟件對模型進行網(wǎng)格劃分，采用四邊形及六面體結構化網(wǎng)格以提高計算精度。在層流情況下貼近管的壁面會形成一定厚度的邊界層，因此，劃分網(wǎng)格時在壁面處建立厚度為0.02mm的第一層邊界層網(wǎng)格,并以1.1mm的網(wǎng)格厚度增長比例沿徑向依次向內劃分5層邊界層。網(wǎng)格劃分情況如圖2所示。圖2計算模型截面網(wǎng)格劃分Fig.2MeshonCrossSectionofCalculate

6、dModel6mm的直管模型，設定與所要研究的波浪管一致的邊界條件，以沿程摩擦阻力系數(shù)為參照因素，將模擬結果與經(jīng)驗公式計算結果進行對比。在20<Re<300(O.OO33m/s<w<O.O5m/s)的范圍內數(shù)值計算結果與經(jīng)驗公式計算值吻合得很好，二者最大偏差在1.5%以內，說明建立的計算模型及計算方法是可信的。3數(shù)值分析與結果本文采用Fluent軟件進行數(shù)值分析。Fluent是計算流體流動和傳熱的常用軟件，能夠提供強大的網(wǎng)格生成程序，對相對復雜的幾何結構的計算具有較高的適應性。在經(jīng)過大量的實際應用之后，其在流動和傳熱方面計算的準確性和成熟性已得到驗證。由于在Re<

7、20的范圍內直管及各波浪管內流體流動速度很小，各管的換熱性能、管內流動特性及管內流體的速度與溫度梯度分布沒有明顯的差別；另外，鑒于本文研究內容為低流速情況時波浪管的換熱及流動特性，因此選擇的計算范圍為2切芯300。在計算范圍內，波浪管的流動摩擦阻力系數(shù)/均高于直管，且隨著Re的增加呈現(xiàn)不斷增大的趨勢(圖3),3根波浪管的摩擦阻力系數(shù)始終保持3#>2#>1#的順序，與波浪管振幅2.3.2邊界條件邊界條件為：計算模型入口的大小順序一致，而與"無關,說明在20</?e<300設為速度入口邊界條件；出口設為壓力出口邊范圍內波浪管振幅的大小是影響摩擦阻力系數(shù)界條件；流體

8、為單相水，參數(shù)為等效溫度下的1=1III的主要因素。在&e=300時，與直管相比，2常量，不隨溫度變化改變；壁面設定為恒溫邊界條件佝，壁溫設定為60乞；管道入口設置為速度邊界條件，入口水溫為20勾。計算模型沿x軸方向水平放置，考慮在y軸方向存在重力加速度的影響。2.4數(shù)值計算方法在對模型進行計算時，數(shù)值方法選擇基于壓力的求解器，采用非耦合隱式算法，該算法不對Navier-stoke方程聯(lián)立求解，而是對壓力方程進行壓力修正，是一種很成熟的算法，在應用上經(jīng)過了廣泛的驗證，尤其適用于低速的計算流體力學模擬；計算控制方式采用基于SIMPLE算法的速度壓力耦合方式，對壓力、動量和能量項都采用二階

9、迎風格式進行離散化。2.5數(shù)值計算方法驗證為了驗證計算方法的準確性，建立直徑為3#波浪管的摩擦阻力系數(shù)分別增大了35.2%、45.9%和51.8%。圖3波浪管的摩擦阻力特性對比Fig.3ContrastofFrictionalResistanceCharacteristicsofWavyTubes由圖4可以看出，在20</?e<300范圍內，波浪管的他均大于直管，且隨Re的增加，變化趨勢與摩擦阻力系數(shù)的變化趨勢相似，但增長速率圖4波浪管強化換熱性能對比Fig.4ComparisonofHeatChangeEnhancementofWavyTubes圖4波浪管強化換熱性能對比Fig.

10、4ComparisonofHeatChangeEnhancementofWavyTubes大于摩擦阻力系數(shù)的增長速率。在Re為300時,與直管相比，1#、2#、3#波浪管的Nu分別增加了153.8%、166.3%和164.8%。由此可見，在相同Re時，波浪管結構對換熱的強化作用高于對摩擦阻力的增大作用。在20<7?e<150的范圍內，3根波浪管換熱性能之間的關系為3#>2#>1#,與摩擦阻力系數(shù)之間的關系一致，表明在此Re范圍內，振幅是影響波浪管流動特性和傳熱特性的決定性因素；在150</?e<300范圍內，2#波浪管的微波浪結構對換熱的強化作用最為明顯,其

11、Nu大于其他2根波浪管，且與1#相比，23#之間更為接近，表明在此范圍內，是影響波浪管換熱性能的主要因素。綜合波浪管內的流動特性及換熱特性可以看出，與直管相比，在20</?e<300范圍內波浪管能夠大幅度地提高換熱系數(shù)，相應引起的沿程阻力損失增加量相對要小很多。從圖5可以看出，在屁為150時，直管和1#波浪管內流動均處于充分發(fā)展狀態(tài)，2#、3#波浪管內的流動也均處于充分發(fā)展狀態(tài)。與直管內流動不同的是：在波浪管中，軸向速度的分布隨著流道輪廓的波動出現(xiàn)周期性的變化，沿管道徑向的速度梯度也會出現(xiàn)周期性的增大和減小。由于波浪形流道的限制，流體在流動過程中會產(chǎn)生徑向的分速度，即產(chǎn)生垂直于主流

12、方向的二次流，并導致速度沿流道徑向分布不均勻。徑向分速度產(chǎn)生的動力來自上游的流動壓力，這部分能量在流動過程中會因為粘性作用而耗散，轉換為內能散布于流體中。因此，流體在波浪管內的沿程阻力損失除了摩擦損失外，還包括轉換為徑向分速度并最終以內能形式耗散于流體內的壓力損失，這一點也是波浪管的摩擦阻力系數(shù)比直管速度/m.s】4.48x10-23.73X10-2OQQv1n-2.J、/才<J'-2.24x10-21.49x10-2y7.46x10-2'I0z速度/m.s-15.01x10-2451x10-24.01x10-23.51X10-23.01x10-22.50x10-22.0

13、0x10-21.50x10-21.00x10-25.01x10-30ZXa直管ZXa直管圖5Re=150時，管內流體流動速度梯度沿軸向分布圖Fig.5SpeedContoursalongAxialDirectionWhenRe=150大的原因。圖6給出了各管內液體流動速度沿管道截面徑向的速度梯度分布情況。與直管相比，波浪管內流體流動的速度梯度呈現(xiàn)不均勻分布，彎道的內側速度梯度明顯大于彎道外側，并且在相同Re時，隨著彎曲弧度的增加，彎道內側與外側之間的速度梯度差別也逐漸增大。在同一波浪管中，隨著Re的增大，沿流道截面周向速度梯度增大的區(qū)域也會增大，同時伴有垂直于主流流動方向的二次流產(chǎn)生。徑向速度

14、梯度的不均勻分布，波浪管內流動方向的周期性變化，以及二次流的產(chǎn)生，均對流動邊界層起到擾動作用，進而起到強化對流換熱的效果。圖7給出了各管中流體沿流道截面徑向的溫度分布。與速度分布情況相似，速度梯度較大的管壁處溫度梯度也比較大，同時隨著Re和彎曲弧度的增大，溫度梯度也不斷增大。與直管相比較，波浪管流道截面處等溫線發(fā)生了彎曲，并且隨著Re的進一步增大，最終使管內的等溫線呈現(xiàn)出以流動方向和重力方向所在面為對稱面的對稱分布。這樣可以增加等溫線長度，也就是在整個流程中增大了處于不同溫度的流體間的接觸面積，進而對換熱起到強化作用?？傊?，與直管相比，波浪管內流體沿流道截面周向的速度梯度及溫度梯度都有明顯的增

15、大，溫度梯度的增大使得溫度邊界層厚度減小，進而速度：m/s4.98x10-24.48x10-23.98x10-23.48xl022.99x10-22.49xl0-21.99x10-21.49x10-2I9.95X10-34.96x10-30速度：m/s5.01x10-24.51x10-24.0】xl0-23.5»10-23.01x022.50x10-22.00x10-21.50x10-21.00x1o25.01x10-30a直管速度：m/s4.95x10-24.45x10-23.96xl0-23.46X10-22.97x10-22.47x10-21.98x10-21.48xl0-29

16、.89x10-34.95X10-30速度：m/s4.95x10-24.45x10-23.96xl0-23.46X10-22.97x10-22.47x10-21.98x10-21.48xl0-29.89x10-34.95X10-30I9.70X10-34.85x10-30速度：m/s4.85x10-24.36x10-23.88xl0-23.39x10-22.91x10-22.42x10-21.94x10-21.45x10-2d3#波浪管c2,波浪管圖6Re=150時，出口截面處流體流動速度沿徑向分布圖Fig.6SpeedContoursalongDiameterDirectiononOutlet

17、CrossSectionWhenRe=l50溫度/K3.29x1023.23xi(p3.17X1023.11x1023.05X1023.99x1022.93x13溫度/K331x1023.27xl(F3.23x1022.99x1伊2.95x1023.19X1023.03x1。展3.15x102:!3.llxl伊3.07x102溫度/K3.33x1023.29X1O23.25xl(H3.21X1023.17X102遇3.13x1*盤3.O9X1O23.05xl(H3.01x1022.97x1022.93X102溫度/K3.33x1。3.29x1023.25x1儼3.21X1023.17XKF3.

18、13x03.09x1023.05x03.01xl(F2.97xl(F2.93x1伊d3波浪管c2波浪管圖7Re=150時，出口截面處流體溫度梯度沿徑向分布圖Fig.7TemperatureContoursalongDiameterDirectiononOutletCrossSectionWhenRe=150降低管壁與流體之間的傳熱熱阻；同時，二次流的出現(xiàn)促進了不同溫度流體間的混合，強化了流體內部的傳熱。以上兩方面的共同作用，提高了波浪管的換熱性能。4結論(1)在20<e<300的范圍內，與直管相比，波浪管內速度梯度和溫度梯度均呈現(xiàn)不均勻分布，并且隨著Re的增加，速度梯度和溫度梯度分

19、布的不均勻程度愈加明顯。(2)在20</?e<300范圍內，振幅的大小是影響波浪管管內摩擦阻力系數(shù)的主要因素；對波浪管的換熱性能而言，在20<e<300范圍內，振幅的大小是主要影響因素，但是在150vReW300范圍內，"的大小對換熱性能的影響逐步顯現(xiàn)。(3)在計算范圍內，與相同管徑的直管相比,在研究應范圍內，1#、23#波浪管的摩擦阻力系數(shù)最大可分別增加35.9%、43.6%和52.6%,Nu相應最大可分別增大153.8%、166.3%和164.8%0參考文獻：1 YangR,ChangSF,WuW.FlowandHeatTransferinCurvedPi

20、pewithPeriodicallyVaryingcurvatureJ.Int.ComHeatMassTransfer,2000,27(1):133-143.2 NathanR,Rosaguti,DavidF.etal.Low-ReynoldsNum，berHeatTransferEnhancementinSinusoidalChannelsJ,ChemicalEngineeringScience,2007,62:694-702.3 RuYang,FanPinChiang.AnExperimentalHeatTransferStudyforPeriodicallyVaryingCurvatur

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22、g,SUNZhong-ning,FANGuan-ming(CollegeofNuclearScienceandTechnology,HarbinEngineeringUniversity,Harbin,150001,China)Abstract:Theflowandheattransfercharacteristicsofthreedifferentmicro-wavytubeswithdifferentconfigurationparameters(thecurveradiusis32mm,andthecurveanglesare45°,60°and75°,respectively)inlow-velocity(0.0033m/sWW0.05m/s)flowareconsid