内插扇形锥形片流动与换热特性的数值模拟

黎 敏 王汉青 夏雄博

(湖南工业大学土木学院，湖南 株洲 412007)

内插扇形锥形片流动与换热特性的数值模拟

黎 敏 王汉青 夏雄博

(湖南工业大学土木学院，湖南 株洲 412007)

对管壳式换热器管程换热部分进行了分析，提出采用扇形锥形片的方式来强化换热，通过数值模拟计算的方法，在恒热流条件下,选取了不同的结构参数，并对不同的结构参数在5种雷诺数下进行模拟，讨论了倾角和片距以及叶片数对努塞尔数、阻力系数、综合性能的影响，结果表明，内插扇形锥形片能够显著强化换热，努塞尔数和摩擦系数随叶片数和倾角的增大而增大，随片距的增大而减小，适当的选取叶片数和倾角以及片距可以提高综合换热性能。

强化换热，扇形锥形片，数值模拟，结构参数

随着工业化的进程，越来越多的设备需要利用换热器进行热量的传递而提高换热器的换热能力一直是需要解决的问题。管内插入物就是一种能够提高管内对流换热效果的强化方法。基于场协同理论中速度场与温度场的协同，提出了制造管内流体的二次纵向旋流来强化管内外流体的对流换热。扇形锥形片正是这样一种能够诱导管中心流体和壁面边界层流体纵向混合均匀的内插物，能够在换热壁面附近造成一个温度和速度变化比较显著的边界层区域，从而达到强化换热的效果。影响扇形锥形片对流换热效果的因素很多：扇形锥形体的张角a，倾角b，扇叶的片数，扇形锥形片之间的间距以及扇形锥形片与管内壁的间隙。为了简化研究的问题，在此作者仅对扇形锥形片的扇叶数、倾角以及间距做比较研究而其他条件做定值处理。研究工作主要是湍流工况下，5种不同雷诺数下的传热特性的分析。现阶段对于强化换热效果的评价主要有三种系数即努塞尔数Nu，摩擦系数f和综合传热系数PEC。对流换热强化的目的是在泵功率一定的情况下能够强化换热，摩擦系数不能过大，否则强化的部分不足以抵消泵功率的增加。

1 物理模型及边界条件

如图1所示为管内插入扇形锥形片的强化传热管的物理模型。管长为L=500 mm，直径d=32 mm。张角45°，节距s=48 mm和72 mm两种，倾角为b=30°，45°，60°。叶片的个数有三种：两叶片、三叶片、四叶片。模拟工质为20 ℃空气，空气的物性参数为1.205 kg/m3，导热系数2.59×10-2W/(m·K)，运动粘度为15.07×10-6m2/s。作如下假设:1)锥形片内插物和换热管刚性足够好，不考虑变形和振动；2)工作介质为不可压缩、牛顿型流体，流体各向同性，物性不变；3)流体流动为充分发展的稳态层流；4)忽略重力影响，不考虑辐射、压力做功和动能变化[1]。湍流模型采用K-RNG模型，并选择增强壁面函数对第一层边界网格进行计算；进口采用速度进口；出口设置为自由出流边界条件；在圆管的表面设置恒定的热流密度，热源值与Re数成正比[2]。

2 数值模拟结果分析

1)四叶片张角为45°模拟结果。如图2和图3所示为张角45°和倾角为30°,45°,60°时各雷诺数下的平均摩擦系数f的值。由图可以看出随着倾角的增加摩擦系数f也随着雷诺数的增加而增加。倾角变小管内流体扰动发生变化，从贴近壁面的扰动逐渐变化成核心流扰动。倾角越小流体对壁面的边界层的扰动越小，流体在流过边界层时所受的剪切力也越小，流动阻力也减小。反之倾角越大，近壁面的速度梯度较大，产生的剪切力越大，流动阻力越大。倾角越大时流体对壁面的扰动越强烈，边界层的厚度减小，温度梯度变大，对流传热量显著增大。从图中可以看出倾角60°时摩擦系数是倾角30°的2.83倍而倾角60°时的努塞尔数是倾角30°时的1.3倍。

2)不同叶片数扇形锥形片的传热特性分析。如图4和图5所示为相同片距和张角以及倾角，不同叶片数的扇形锥形体传热特性分析，图中共有三种叶片数目即两叶片、三叶片、四叶片。四叶片时摩擦阻力系数最大而两叶片和三叶片的摩擦系数相差不大。

叶片数越多，摩擦系数越大，流体扰流过程中受到的阻挡越多，扰流越多形成的流体涡越多边界层越薄，温度梯度越大，努塞尔数也越大。四叶片时努塞尔数是光管的3倍而摩擦系数是光管的12倍。

3)相同叶片数不同片距时的传热特性分析。如图6所示为两叶片和三叶片不同间隔时的摩擦系数曲线。由图6可知三叶片间隔48 mm时摩擦系数是光管的摩擦系数的8倍。三叶片间隔48 mm 的摩擦系数是三叶片间隔72 mm的1.3倍。三叶片间隔48 mm 的摩擦系数是两叶片间隔48 mm的1.6倍。两叶片间隔48 mm 的摩擦系数是两叶片间隔72 mm的1.25倍。

如图7所示为两叶片和三叶片不同片距时的努塞尔数曲线。从图中可以看出努塞尔数增加的趋势没有摩擦系数增加的趋势明显，三叶片间隔48 mm时努塞尔数系数最大。分析其原因在于流体在湍流状态时当其达到了充分发展状态时其温度和压力变化很小，流体处于稳定状态。

4)相同叶片数不同间隔传热特性综合分析。图8是以两叶片间隔72 mm为基础得出的PEC的综合传热系数比值，从图中可以看出两叶片间隔48 mm的PEC比值和三叶片间隔72 mm的PEC比值都为1以上，说明其对流传热效果要优于两叶片间隔48 mm的传热效果。三叶片间隔48 mm的PEC比值为1以下，说明其对流传热效果要低于两叶片间隔72 mm时的情况。

3 结语

通过数值模拟研究了管内插扇形锥形物的传热和流动特性，分析了扇形锥形体的倾角和间隔以及叶片数3个结构参数变化对流动和换热的影响，得出了如下结论：1)管内插扇形锥形片能够显著强化换热，同时增加了流动阻力。换热系数和阻力系数都随叶片数和倾角的增大而增大，随间距的增大而减小。2)内插扇形锥形片使流体在管内产生纵向流动使速度场与温度场的协同性更好。边界层受到分流流体的扰动而变薄，此时温度梯度变大，相同传热面积下能传递更多的热量，强化了换热。3)综合性能系数受倾角、片距和叶片数影响，增大倾角和叶片数减小片距有利于提高综合性能，适当选取倾角和叶片数以及片距，扇形锥形片可以在很大程度上改善综合换热性能。

[1] 游永华.管壳式换热器中单相流体强化传热的数值模拟和实验研究[D].武汉：华中科技大学,2013.

[2] 邓俊杰.管内对流换热强化的数值模拟[D].武汉：华中科技大学,2011.

[3] 睢 辉,屈晓航,董 勇.管内插入螺旋翅片流动与传热特性的数值模拟[J].化工生产与技术,2013(5):8-9，27-31.

[4] 杨世铭.传热学[M].北京:高等教育出版社,1987.

The numerical simulation of interpolation fan-shaped conical plate flow and heat transfer performance

Li Min Wang Hanqing Xia Xiongbo

(CivilEngineeringSchool,HunanUniversityofTechnology,Zhuzhou412007,China)

This paper analyzed the tube pass heat transfer part of tube shell type heat exchange, proposed using the fan-shaped conical plate for enhancement of heat transfer, through the numerical simulation calculation method, under the constant heat flux condition, selected different structure parameters, and simulated different structural parameters under five kinds of Reynolds numbers, discussed the influence of inclination angle, segment pitch and blade number to Nusselt number, drag coefficient, comprehensive properties, the results showed that, the interpolation fan-shaped conical plate could significantly enhanced the heat transfer enhancement, the Nusselt number and friction coefficient increased with the blade number and inclination angle, with the increasing of segment pitch, properly selected the blades number and inclination angle and segment pitch could improve the comprehensive heat transfer performance.

heat transfer enhancement, fan-shaped conical plate, numerical simulation, structure parameter

2015-01-13

黎 敏(1987- )，女，在读硕士； 王汉青(1963- )，男，博士生导师，教授； 夏雄博(1987- )，男，在读硕士

1009-6825(2015)09-0110-02

TU831

A