螺纹管管内流动与传热的数值模拟

史以奇,　李　凌

(上海理工大学 能源与动力工程学院,上海　200093)



螺纹管管内流动与传热的数值模拟

史以奇,李凌

(上海理工大学 能源与动力工程学院,上海200093)

摘要：采用数值模拟的方法对螺纹管管内的流动与换热情况进行了研究.针对不同槽深螺纹管在不同雷诺数下内部的速度矢量场进行了对比分析,详细研究了螺纹对管内两种流动方式及其对流动和换热的影响.研究结果表明,随着槽深e的增加,旋流不断加强,减薄边界层,涡流引起的扰动也逐渐增强,并加强了管内流体径向混合,因而强化了螺纹管的换热能力.但是当槽深e继续增加到一定程度时,旋流的增强主要集中于对换热影响较小的中心区域,而对换热影响较大的壁面附近的变化很小,这时旋流对换热的强化影响很小;此时涡流核心区又会逐渐形成死流,从而弱化换热,并且随着槽深e的增大,死流区逐渐扩大.

关键词：螺纹管; 螺旋流动; 传热; 数值模拟

螺纹管因为制造简单、传热性能及机械性能好等优点,被广泛应用于冶金、动力、核能、制冷、石油化工、航空航天等各个领域,有大量文献对其强化换热机理进行了研究[1-11].一般认为螺纹管的强化换热主要在于螺纹对流动产生的扰动,有研究发现螺纹对流动的扰动主要有两种表现:一方面螺纹对近壁处流体流动的限制作用使管内流体产生附加的螺旋流动;另一方面流体经过螺纹时会产生分离流动.邓颂九等[12]根据前人和自己所做的湍流实验数据，推论出这两种流动方式对螺纹管内的传热强化起决定性作用.李向明等[13]用氢气泡示踪法也证实了上述两种流动同时存在的推论.但以上两种流动方式的存在是在实验室观察得到的,对其机理的研究还极少,尤其是螺纹管的结构参数对流动方式及其对换热的影响还有待于进一步探讨.本文采用数值模拟方式,对不同雷诺数和不同槽深螺纹管内的流动和换热情况进行了分析,详细讨论了螺纹对流动方式和换热的影响.

1物理及数学模型

以往研究[1,12]认为,无量纲截距p*(p*=p/d)为0.4～0.75和无量纲槽深e*(e*=e/d)为0.003～0.054是螺纹管换热的最佳结构参数范围.本文据此选用截距p为8 mm,槽深e分别为0.4,0.5,0.6,0.7,0.8 mm的规格为20×2 mm钢管压制而成的螺纹管作为研究对象.图1为其结构示意图,其中p为截距,D为外径,d为内径,e为槽深,t为管壁厚度.

图1　螺纹管结构示意图

本文应用fluent软件进行模型研究,采用前处理软件ANSYS ICEM划分混合网格.为保证前几层网格中每层网格节点距离壁面高度基本一致,壁面附近采用棱柱网格,内部网格采用六面体为主的混合网格,如图2所示.

求解过程采用分离变量法的隐式求解,湍流模型采用RNGk-ε湍流模型,壁面处采取增强壁面函数处理.对动量方程和能量方程采用二阶迎风离散求解,压力和速度耦合采用经典的SIMPLE算法.空气进出口采用周期性边界条件,质量流量给定,壁面温度设为Tw=393 K的恒壁温边界条件,空气在壁面处采用无滑移边界条件.空气温度设为室温,取值295 K,物性假设为常物性.

图2　螺纹管网格示意图

2结果与讨论

2.1方法的验证

本文首先进行网格无关性验证,并进一步将计算结果同实验数据[14]进行对比,图3表示阻力系数f和努塞尔数Nu随流量G的变化情况.由图3可见,f及Nu数都和实验值吻合较好,说明本文算法可靠.

图3　实验值与计算值对比

2.2不同雷诺数Re下两种流动方式的比较

对Re数分别为10 000,20 000和30 000时的螺数管内流动情况进行模拟计算,图4和图5分别为槽深e为0.6 mm时,螺纹管的截面速度矢量分布图和管内流线在剖面上的局部投影.从图4可以观察到明显的螺旋流动,并且远离中心的流体螺旋速度很大,而靠近螺纹管中心部分区域流体旋转程度逐渐变小.进一步比较不同Re数下的速度矢量图可以看出,随着Re数的增加,旋流不断增强.这是因为Re数增加,管内流体速度变大,流体惯性力影响也越来越大,粘滞力影响越来越小,导致旋转流动增强.

同时从图5可以看到,由于螺纹产生的形体阻力使流体产生逆向压力梯度,迫使边界层分离,沿流体流动y方向凹槽后部产生了涡流;并且随着雷诺数的增加,凹槽背后的涡流区域逐渐减小.

图4　螺纹管截面速度矢量分布图

2.3两种流动方式对螺纹管换热的影响

为了进一步分析两种流动方式对流动换热的影响,计算不同槽深的螺纹管在不同Re数下的Nu数和阻力系数,如图6所示.图6(a)显示f随着槽深e的增大而增大,而随着Re数的增大而减弱.这主要是由于随着槽深e的增大,旋流和分离流引起的涡流逐渐加强,螺纹的形体阻力也越大.由图6(b)可以看出当槽深e一定时,随着Re数的增大,Nu数也逐渐增大,然而当Re数一定时Nu数随着槽深e的增加先增加而后又逐渐减小,并且Re数越大,这种现象越明显.

图5　螺纹管管内流线在剖面上投影

图6　Nu与阻力系数f随槽深e的变化图

为对此现象进行深入讨论,计算Re=20 000时,槽深e分别为0.4,0.6,0.8 mm时螺纹管内的流动情况.图7和图8(见下页)分别为e为0.4 mm和0.8 mm时截面上速度矢量图和管内流线在剖面上的局部投影.由图可见,槽深e越大,管内旋转流动越强,换热也越强.但是当e增加到一定时候,旋流的增强主要在于对换热影响较小的中心区域,而对换热影响较大的壁面附近其变化很小.这时旋流对换热的强化影响很小，然而，在螺纹后面形成的回流区却很大.回流区对换热的影响与几何参数有关,一般，流体的分离扰动会强化换热,但是在某些参数下回流区会形成死流区,从而弱化换热,因此总的效果就可能表现为换热弱化.

图7　　　不同槽深e的螺纹管截面上的速度矢量分布图

Fig.7Velocity vectors distribution on the cross

section at different depthse

图8　　　不同槽深e的螺纹管流线在剖面上的投影

Fig.8Streamlines at the projection towards the

profile face at different depthse

为了进一步讨论回流对流动换热的影响,计算螺纹后面局部处的Nu数.图9示出了槽深e为0.6 mm时,螺纹管螺纹后面局部Nu数的变化情况.由图9可见,局部Nu数成波状分布,部分区域低于光管局部Nu数,这是因为此时螺纹后面涡流逐渐蜕变为死流,从而弱化换热,这也同时解释了图6(b)中出现的Nu数随着槽深e的增加而有所下降的现象.

图9　螺纹管壁面上局部Nu数分布图(Re=20 000)

3结论

应用fluent软件对螺纹管的流动换热进行了数值模拟,研究管内不同流动方式的存在及其对流动换热的影响.在本文研究的参数范围内,获得以下结论:

a. 螺纹管管内存在两种对换热起决定性作用的流动:一种为螺旋流动;另一种为分离流动引起的涡流.随着Re数的增加,旋流不断加强,而涡流区域逐渐变小.

b. 随着槽深e的增加,旋流不断加强,管内的流动换热增强,分离流引起的涡流加强了流体的径向混合,有利于管内换热.而当槽深e增加到一定的时候,由于螺纹背后形成死流,局部换热能力降低.而此时旋流的增强主要集中于对换热影响较小的中心区域,而对换热影响较大的壁面附近的变化很小,这时旋流对换热的强化影响很小,致使管内的整体换热能力又有所下降.

参考文献：

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[11]张华,周强泰.螺旋槽管强化管内换热试验研究[J].发电设备,2003,17(4):24-27.

[12]邓颂九,谭盈科,庄礼贤,等.轧槽管传热与流体阻力的研究[J].化学工程,1980(6):1-8.

[13]李向明,叶国兴,邓颂九.高效换热元件——螺旋槽管的研究及应用[J].化工学报,1982,33(4):359-367.

[14]Cao K,Dong Q W,Liu M S,et al.Experimental investigation on heat transfer and flow resistance characteristics of spirally fluted tubes[C]∥The 2nd International Conference on Mechanic Automation and Control Engineering.Piscataway,NJ:IEEE Press,2011:4956-4959.

(编辑:丁红艺)

Numerical Simulation of Fluid Flow and Heat Transfer in Spirally Fluted Tubes

SHI Yiqi,LI Ling

(School of Energy and Power Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

Abstract：The flow and heat transfer in spirally fluted tubes were investigated numerically.The velocity vector fields in spirally fluted tubes with different groove depths under different Reynolds numbers were compared.The influences of the thread groove on the two types of flows and heat transfers were investigated.It is found that the spiral flow is enforced with the increasing groove depth “e”,the disturbance caused by eddy is gradually enhanced and the heat transfer in the pipe also increases.However,when e rises up to a certain value,the enhancement of spiral flow concentrates mainly in the center region of pipes which has little effect on heat transfer.In the area near the wall where the flow type has a great influence on heat transfer,the change of spiral flow is small and therefore it has little effect on heat transfer enhancement.The center of the eddy becomes a ‘still zone’ which weakens the heat transfer.In addition,when e is kept increasing,the still zone enlarges.

Keywords：spirally fluted tube; spiral flow; heat transfer; numerical simulation

中图分类号：TK 124

文献标志码：A

通信作者：李凌(1976-),女,副教授.研究方向:数值传热、强化传热.E-mail:liling@usst.edu.cn

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51476102)

收稿日期：2014-11-07

DOI：10.13255/j.cnki.jusst.2016.02.006

文章编号：1007-6735(2016)02-0133-04

第一作者： 史以奇(1989-),男,硕士研究生.研究方向:数值传热.E-mail:yuqi1202@163.com