螺旋槽管脉冲流强化对流换热数值及场协同分析

杨文灏，喻九阳，吴艳阳，高九阳，刘利军，刘 倩，林 纬

(武汉工程大学机电工程学院，湖北 武汉 430074)

0 引 言

螺旋槽管自20世纪60年代问世以来，国内外很多学者都对其进行了研究，Moffat和Zimparov分别对卧式冷凝器中的螺旋槽管进行了研究，Mofat对11种不同螺距和槽深的螺旋槽管进行了实验，建立了总传热系数、冷凝侧的传热系数的相关准则方程[1].Zimparov测定了11种不同结构参数螺旋槽管的传热性能，得到了螺旋槽管内外侧的传热系数和总传热系数.通过同光滑管的实验数据进行比较，结果表明螺旋槽管的总传热系数是光滑管的2倍[2].

脉冲流动对对流传热的影响目前还没有一致结论：a.俞接成、Himadri Chattopadhyay等认为脉冲流动对传热过程没有影响[3-4]；b.Mackly实验证实脉冲流对带内肋片圆管强化效果显著，但对普通圆管直通道没有强化换热效果[5]；c.A.E.Zohir等认为脉冲流能强化传热[6-7].

本研究应用Fluent软件对等壁温条件下，对三维螺旋槽管内脉冲流进行数值模拟，研究了脉冲流对管内单相流流动和换热的影响[8].

1 计算模型及边界条件

在数值模拟计算中，由于螺旋槽管的不对称结构，故对螺旋槽管进行三维建模，取螺旋槽管长度为L=500 mm，外径Df=18 mm，内径D0=16 mm，管子长度L=500 mm，槽深e=0.48 mm，节距p=4.8 mm.如图1所示，此外，按照实际模型的结构，在建立螺旋槽管几何模型时，在管的进出口端各增加了两个直管段，长度分别为25 mm以及30 mm.如图1所示.

图1 螺旋槽管二维示意图

该模型网格划分如图2.壁面为等温条件，温度为293 K,壁面速度无滑移.本实验将入口给定速度脉冲作为脉冲流动的原因，其表达式为：

v=v0[1+Asin(2πnt)]

其中为v脉冲流瞬时速度，v0为稳态流速度，A为脉冲流振幅，n为脉冲流频率.显然当A为0时，演变成稳态流.计算时，V0=0.05 m/s， 分别取1,3,5,8,10，A分别取2,4,6,8,10.为了便于计算，壁面温度恒定为293 K.流体工质为水，流体入口温度为333 K.

图2 螺旋槽管网格示意图

采用压力与速度耦合的SIMPLER算法进行离散求解，扩散项采用中心差分格式.收敛标准是出口处的平均温度呈周期性波动.

2 计算结果分析

2.1 出口中心处压力分布图

图3中表示的是当A=1时，n=2,4,6,8,10时,螺旋槽管出口截面平均压力波动.从图中可知，当脉动流通过半个周期以后，压力波动值达到最大，并且在相同的振幅条件下，频率n越大，压力波动也越大.并且出口截面平均压力的波动随频率n增大而增大.这是因为由于入口处采用正弦脉冲流输入，频率越大，速度波动也越大，从而导致出口平均压力随频率n增大而增大.

图3 出口中心处压力波动图

2.2 脉冲流参数对于流场的影响

图4、5是在通入的脉冲流参数为A=1、n=4时，第50个螺旋槽段的稳态和脉冲流条件下的流函数的分布图和速度矢量图.由于是三维建模，所以我们建立Z=0的平面，以便于观察管内的流场情况，图4所示的是一个计算周期下不同相位是流体的流函数图；图5中表示脉冲流条件下一个周期内不同相位时流体的速度矢量图.通过图形可以表明：稳态流动条件下，此波段内流体流态是固定且无漩涡；但当通入脉冲流后，在一个周期内，流体形态不断发生变化，基本过程如下:首先流体同向流动，速度场无涡旋，当脉冲相位超过180°，即达到负周期时，脉冲流流体在开槽处靠近流体入口处产生漩涡.

图4 流函数分布图

图5 速度矢量图

2.3 时均径向温度分布

当A=5，n=2时，X=225 mm处即在螺旋槽管第48个开槽处稳态和脉冲流条件下的径向温度分布图，从图6中可知，由于脉冲流作用，时均径向温度分布在壁面附近比稳态时的斜率要大，这样就降低了温度边界层的厚度，从而强化传热.

图6 径向温度分布图

2.4 脉冲流强化传热的场协同分析

当A=1，n=6时，螺旋槽管在XY剖面上的速度矢量图和温度等值线图如下所示，由图7和图8中可知，在螺旋凸起区域，温度梯度矢量发生了偏转与轴线成一定角度，速度矢量方向也发生了角度偏转，不再与轴线平行，这样速度场和温度场得协同性变好，从而强化传热.

图7 螺旋槽管XY剖面速度矢量图

图8 螺旋槽管XY剖面温度等值线图

图和与不同振幅之间的关系

3 结 语

a.通过fluent数值计算，得到出口中心处压力呈周期性波动，在相同的波动条件下，频率越大，压力波动也越大.

b.脉冲流通入后使得流体在螺旋槽管开槽处产生漩涡，这样大大增加流体的扰动，降低了边界层厚度，从而强化换热.

c.与稳态流相比，由于脉冲流的作用，槽管壁附近会有漩涡产生、然后漂移最后脱落.

d.通入脉冲流后，速度场和温度场得协同性变好，从而强化传热.对其进行场协同分析，发现当振幅大于某一临介值以后，周期平均场协同数以及壁面平均努塞尔会随着振幅的增大而增大，会起到强化传热的效果.

参考文献：

[1] Moffat R J. Describing the uncertainties in experimental results[J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 1988,1( 1):3-17.

[2] Zimparov V D,Vulchanov N L, Delov L B. Heat transfer and friction characteristics of spirally corrugated tubes for power plant condensers[J]. Intenrational Journal of Heat and Mass Transfer,1991,34 (5):2187-2197.

[3] 俞接成，李志信.圆管层流脉冲流动对流换热数值分析[J].工程热物理学报，2005,26(2):319-321.

[4] Chattopadhyay H, Durst F, Ray S. Analysis of heat transfer in simulaneously developoing pulsating laminar flow in apipe with constant wall temperature[J].International Communications in Heat and Mass Transfer,2006,33:475-481.

[5] Mamayev V V, Nosov V S, Syromyatnikov N I. Investigation of heat transfer in pulsed flow of air in pips[J].Heat Transfer-soviet Research,1976,8(3):111-116.

[6] Zohir A E, Habib M A,Attya A M. An experimental investigation of heat transfer to pulsating pipe air flow with different amplitudes[J].Heat and Mass Transfer,2006,42:625-635.

[7] 汪威,喻九阳,杨侠.波节管脉冲流强化对流换热数值分析[J].武汉工程大学学报，2010,32(3):89-91.

[8] 刘玉华，喻九阳，郑小涛.气-气混合器的三维流场数值分析 [J].武汉工程大学学报，2008,30(2):108-110.