不同强化管传热特性的数值模拟与实验研究

陈志静 王大成

(广东石油化工学院 茂名 525000)

不同强化管传热特性的数值模拟与实验研究

陈志静 王大成

(广东石油化工学院 茂名 525000)

对横纹槽管、缩放管和螺旋槽管在夹套间进行了传热特性实验，研究了传热效率指标随雷诺数的变化规律。运用FLUENT软件，采用二维轴对称方法和k-ε模型对夹套间流体流动传热进行了数值模拟，并将模拟结果与实验结果进行对比。从场协同的角度研究了速度场与温度场夹角对传热膜系数的影响。

强化管 传热特性 数值模拟 场协同

1 引言

强化传热是节约能源的重要举措之一。通过改变换热管的传热面结构，可以提高传热系数，从而实现强化传热［1］。长期以来，人们研究换热器的流动与传热都是通过实验方法。虽然这种方法具有直观、真实、可靠等特点，但也存在很大的不足，特别是换热管管壁温度的测量总是存在一定的误差，造成换热系数的不准确，而仅仅利用软件模拟的方式来考察其性能时，又会导致模拟参数缺少必要的参考依据而失真。

因此，本文在现有研究成果的基础上，以空气为实验介质，分别对水平光管、横纹管、螺旋槽管和缩放管对流换热进行了实验研究和数值模拟分析，并将两种结果进行比较，探讨夹套间隙不同构造管的强化传热性能。另外，利用数值模拟管壁面处速度场和温度场的分布情况，从场协同原理的角度分析其强化换热的机理。

2 实验装置及方案

实验装置及流体流动循环如图1所示，强化管内走蒸汽，夹套间走空气，实验时采用蒸汽加热冷空气。本实验中，蒸汽的进出口温度之差小于1℃，可以认为是管内恒温、夹套间变温的传热方式。蒸汽由电蒸汽锅炉产生，蒸汽锅炉的功率为36 kW，产生的蒸汽额定压力为0.4 MPa。空气通过旋涡气泵送入实验换热套管内，实验装置的具体参数和强化管的结构尺寸分别如表1和图2所示。

图1 实验装置示意图Fig 1 Experimental apparatus diagram

表1 实验装置主要参数Table 1 Major parameters of experimental apparatus

3 数值模拟

由于套管环形空间的轴对称性，流动区域可以采用二维建模代替三维建模，以减少计算量。网格的划分全部采用的是结构化网格，它可以很容易地实现区域的边界拟合，适于流体和表面应力集中等方面的计算［2］。

图2 各种内管结构参数图Fig 2 Different parameters of structure of inner tubes

=1.92，湍动能k与耗散率ε的普朗特数分别为σk=1.0，σε=1.3，可以通过调节“粘性模型”面板来调节这些常数的值。

模型边界条件设置如图3所示。

图3 边界条件的设定Fig.3 Configuration of flow boundary condition

速度进口边界条件依次为:3.53 m/s、4.94 m/s、6.35 m/s、7.76 m/s、9.17 m/s、10.58 m/s、12.0 m/s、13.4 m/s;

内管走的是水蒸气，可以设置为恒温边界条件:Tw=373 K;

外部套管壁面加了保温层，设置为绝热边界层。

4 结果与分析

4.1 传热系数与雷诺数Re关系

描述传热过程的准数关系式为［3］:Nu=AReaPrb，当流体无相变时，对于强制湍流，自然对流的影响可以不计，对于气体被加热时，b为0.4，再对方程两边取对数。(A为系数，a，b，c为指数)。双对数坐标图中，可直接用线性关系进行拟合，从而得到传热系数随雷诺数的变化关系趋势。

据此，将实验数据和数值模拟数据进行处理，得到了传热系数与雷诺数的关系曲线，如图4所示。

图4 传热膜系数的数值模拟与实验值比较○.光管模拟;□.横纹管模拟;△.缩放管1模拟 ;▽.缩放管2模拟;☆.螺旋管模拟 ;●.光管实验;■.横纹管实验;▲.缩放管1实验;▼.缩放管2实验 ;★.螺旋管实验。黑实线代表光管的理论计算值Fig.4 Comparison of numerical simulation and experiment value of the surface coefficient of heat transfer

由图可知，4种强化管的传热系数都大于光滑管的传热系数，实现了强化传热的作用。传热膜系数随Re的升高而升高，在相同的Re下，传热系数的优劣次序为:螺旋槽管、缩放管1、缩放管2和横纹管。

从图4可以看出，数值模拟值与实验值很接近，但二者有一定的误差，对于光管，其实验值与模拟值非常接近，最大误差不超过10%。数值模拟可以对实验起到验证作用。

4.2 强化管结构对传热性能的影响分析［4］

许多研究结果表明，在促进边界面湍流强度方面，主要考虑的问题是流体在产生边界层分离流之后持续的时间，从而决定肋间距的大小。相对肋间距(P/e)为6—10时，粗糙管所引起的强化传热效果最佳，当考虑扩展传热面积引起给热系数提高时，相对肋间距(P/e)为1—3之间比较合理。本实验4种强化管的相对肋间距符合上述条件，其中横纹管的相对肋间距为8.42，螺旋管为2.4，缩放管为6.7(P为肋间距;e为肋高)。面积扩展比率横纹槽管为1.05、螺纹管为1.76、缩放管为0.978。

几种强化管的肋形对传热性能的影响分析如下:

(1)横纹槽管。横纹槽管有效传热面积几乎没有扩展，其外肋形较宽，管内主要靠窄的突出肋条对流体产生扰动，管外主要靠窄的凹槽使边界层不断断开，对流体的扰动较小，由图4可见，随着Re数的增大，横纹管对流体的扰动加强，从而传热性能加强。

(2)缩放管。缩放管的有效传热面积虽没有扩展，但缩放管曲面过度平滑，不仅压力降比较低，而且由于收缩的变化使流体在沿壁面前进的过程中产生正负反压差，使流体微团沿壁面产生回转旋涡，从而使传热膜系数提高。

(3)螺纹管。螺纹管的面积扩展较大，为加工前光管的1.76倍，另外螺纹管的外突出肋条较高、较窄，它使流体微团在肋间产生回流旋转，对流体的扰动较大，随着Re的提高，有效扩展面积的利用率得到提高，所以螺纹管的传热性能得到明显的提高。

5 速度和温度场协同分析［5］

数值模拟得到了不同强化管的速度场和温度场的分布图。本文将根据场分布图，利用场协同原理来分析横纹槽管和缩放管局部传热系数。

文献［6］提出了场协同原理，简述如下:以二维层流边界层为例，其能量方程为:

对上述方程积分并无量纲化得:

其中:Nu、Re和Pr分别为努塞尔数、雷诺数和普朗特数。其中

式中;β为热流矢量和速度矢量的夹角。从式(4)和式(5)可以看出，速度和温度梯度的夹角β在控制对流换热的强度时起着很重要的作用。当它们的夹角β小于90o时，β越小则对流传热系数越大，当β=0°时，可以达到最大值。

从图5可以看出，光管流体速度平行于壁面，等温线与壁面接近平行，因此速度矢量与温度梯度矢量的夹角接近90°但小于90°，速度场与温度场的协同程度不是很好，其温度场和速度场在整个流动过程中变化不大，所以其传热系数沿管程几乎不变。

图5 光管速度场与温度场的分布Fig.5 Velocity field and temperature field distribution while inner tube is smooth tube

从图6可见，横纹槽管为内管时，在凹槽的开始端，流体的温度梯度与速度矢量的夹角相对于光管的时候要小，因此在该位置，传热膜系数有一个比较小的增大，出现第一个峰值。此后边界层发生分离，流体产生回流，壁面附近的流体的流速非常小，速度与温度梯度的夹角又接近90°，并且等温线比较稀疏，温度梯度的大小比较小，因此传热膜系数迅速下降。此后，等温线逐渐密集，传热膜系数也慢慢回升。在凹槽结束的位置，等温线最密集，温度梯度最大，速度场与温度梯度场的夹角也最小，并且在该处的速度值也是最大的，因此在凹槽的结束处传热膜系数出现第二个峰值，且其值最大。

图6 内管为横纹管时速度场与温度场的分布Fig.6 Velocity field and temperature field distribution while inner tube is traverse-corrugated tube

由图7可以看出，缩放管为内管时，在壁面的下降处，由于流通面积的扩大，流速减少，并且出现回流现象，从图中也可以看到其温度梯度的大小也变小，在有些位置速度与温度梯度的夹角虽然很小，但是由于速度与温度梯度的值都比较小，其整体效果还是使传热膜系数降低。在壁面的上升处，流体在壁面附近的温度梯度较大，其随着壁面的上升，温度梯度和速度都增加，因而传热膜系数随着壁面的上升也逐渐增加，在壁面的最高处其传热膜系数最大。

图7 内管为缩放管3时速度场与温度场的分布Fig.7 Velocity field and temperature field distribution while inner tube is convergent-divergent tube 3

6 结论

(1)通过实验研究得到几种不同结构内管都具有强化传热的效果。传热膜系数随Re的升高而升高;在相同的Re下，传热系数的优劣次序为:螺旋槽管、缩放管1、缩放管2和横纹管。

(2)数值模拟的结果与实验结果相符，最大误差不超过10%，可以用来验证实验结果的准确性。

(3)应用场协同理论，从局部换热系数分析其强化机理，发现横纹槽管外侧换热得到强化的原因是其凹槽周围的速度场与温度场之间夹角更小，协同程度更好。对于缩放管，在流体的扩张段，传热膜系数沿程降低，但在在流体的收缩段，其传热膜系数沿程增加。

1 余德渊.实用强化传热技术简介［J］.石油化工设备，1995(1):3-7.

2 Patankar S V.Numerical Heat Transfer and Fluid Flow［M］.New York:Hemisphere Publishing Corporation，1979.

3 陈敏恒，从德滋，方图南，等.化工原理(上册).［M］.北京:化学工业出版社，1999.

4 罗小平，邓先和，邓颂九.夹套间强化管传热性能比较［J］.华南理工大学学报(自然科学版)，1997，25(5):26-30.

5 王 军.电场协同强化空气对流换热实验及其机理研究［D］.广东:华南理工大学，2006，19-49.

6 过增元.对流换热的物理机制及控制［J］.科学通报，2001，45(19):2118-2122.

Numerical simulation and experiment on heat transfer performance of different enhancement tubes

Chen Zhijing Wang Dacheng

(Guangdong University of Petrochemical Technology，Maoming 525000，China)

Experimentally with the heat transfer of traverse corrugated tube，spiral tube and convergentdivergent tube in annulus was studied.The rules of efficiency index variation with Reynolds number were studied.The simulation on a single-tube heat exchanger was performed utilizing the two-dimensional axialsymmetry method and k-ε turbulent model using the FLUENT software，and the results were compared with the experimental results.Finally，studying the angle between velocity field and temperature field infect the surface coefficient of heat transfer through field synergy.

enhancement tubes;heat transfer performance;numerical simulation;field synergy

TB663

A

1000-6516(2012)01-0061-04

2011-11-02;

2012-01-20

广东石油化工学院青年创新人才培育项目(2010yc01)资助。

陈志静，男，26岁，硕士，讲师。