粗糙管的传热与流动特性优化研究

李世清

摘要：本文利用Fluent软件对缩放管这两种常见的强化传热管进行数据模拟，首先采用非线性拟合、威尔逊法等，研究了横纹管与缩放管的传热性能，发现缩放管的传热性能优于横纹管。然后在湍流时，以水为工质，研究横纹管的传热与流动性能，结果表明横纹管的传热特性在低肋高时对肋高比较敏感，而流动特性则是在肋高较高时比较敏感;此外，不同的肋型与肋高也会影响其传热与流动特性。最后，在湍流条件下，研究缩放管的传热与流动性能，探讨了不同的节距长度、肋高与节距比对其综合性能的影响。

关键词：强化传热;缩放管

第一章绪论

1.1课题背景

从中东石油危机爆发以来，以能源为中心的环境、生态等问题日益增多。各国人民都十分重视节能的意义，怎样合理利用能源已经成为了良性发展工业的核心问题，各类节能的技术如雨后春笋般出现。

1.2研究意义

研究各种传热过程的强化问题，设计、制造出高效换热器，不仅是现代工业发展过程中必须解决的问题，同时也是开展节能和开发新能源的迫切任务;特别是近年来，世界范围内出现的能源危机使得能源和材料已成为热力系统总成本的更重要的因素;为了节约资源、减少材料消耗和降低成本，就更多地求助于强化传热技术。

1.3研究内容

（1）湍流时，以水为工质，研究横纹管的传热与流动性能，并分析了不同肋高与肋型对其传热与流动特性的影响;

（2）在湍流条件下，研究缩放管的传热与流动性能，还探讨了不同的结构参数对其传热与流动特性的影响;

（3）通过非线性拟合与威尔逊法，实验研究了横纹管与缩放管的传热与流动特性。

第二章物理模型简介

2.1引言

自从上个世纪以来，强化传热技术迅速发展，强化传热管的种类也越来越多，如横纹管、T形管、缩放管、螺旋槽管等。缩放管是由依次交替的收缩段和扩张段组成的波形流道，具有比平滑流道更高的传热性能。

2.2物理模型

2.2.1模型简介

2.2.2网格划分

通过Fluent程序包自带Gambit软件对计算域进行网格划分，采用六面体网格划分，对于网格质量，控制六面体等尺寸倾斜率（equisizeskew）及等角度倾斜率（equiangleskew）在0.8以下，对近壁面进行边界层加密处理，网格划分及局部网格示意图见图2-2。管壁为恒壁温无滑移边界（Tw=373K），工质水的物性为常物性，给定流体进口质量流量与温度。

第三章 数据处理

3.1数据处理步骤

模拟数据处理如下所示：

（1） 管内的传热速率

（3-1）

（2） 传热系数

 +  （3-2）

（3） 努赛尔数

 （3-3）

（4） 雷诺数

 （3-4）

（5） 阻力系数

（3-5）

3.2本章小结

本章主要介绍了计算时的控制方程、数值方法;并对计算结果进行数据处理。

第四章 结果与分析

4.1引言

本章是在恒壁温边界条件下，以水作为工质对缩放管的传热与流动特性进行单因素优化研究，在工业应用范围的结构参数内，考察不同结构参数对缩放管传热与流动特性的影响。

4.2第一轮优化

第一轮，依次改变缩放管节距长度、肋高、节距比。当e =为0.8 mm以及P1：P2为2：1时，随P的增加，Nu/Nup和f/fp减少。当P为5～19 mm时，Nu/Nup和f/fp减小的幅度较大，f/fp减幅更快;当P大于等于 21 mm时，Nu/Nup和f/fp变化的幅度逐渐平缓。P越短，Nu/Nup和f/fp对P的变化越敏感。

4.2第二轮优化

第二轮优化是在第一轮的基础上，依次改变肋高、节距长度、节距比。当P = 11 mm与P1：P2 = 4：1时，随肋高e的增加，Nu/Nup和f/fp均逐渐增加，f/fp增幅更大，对肋高更为敏感。当e = 0.5 mm时，传热综合性能因子出现最大值。峰值前后，η都呈现单调性变化。当e = 0.5 mm与P1：P2 = 4：1时，随节距P的增加，Nu/Nup和f/fp均降低，η也降低。当P > 21 mm后，η变化趋于平缓。

第五章 结论

采用非线性拟合，威尔逊图解法，Fluent软件进行数据模拟等方法，研究了不同的参数条件对横纹管、缩放管的传热与流动特性的影响，得出：

（1）对于传热速率，缩放管与横纹管都比光滑管提高了很多。但横纹管的传热速率大于缩放管，同时其阻力损失也大于缩放管。因此，缩放管的综合性能优于横纹管。

（2）横纹管的传热特性在低肋高时对肋高比較敏感，而流动特性则是在肋高较高时比较敏感。

（3）随着雷诺数的增加，所有肋型横纹管的努赛尔数增加，阻力系数减少。Triangle型与Trapezoid型都比未改型的Circle型好，Rectangle1型的效果最差，Trapezoid、Triangle与外凸型有着更好的传热效果。

（4）通过两轮优化分析，研究一些结构参数对缩放管性能的影响，以期达到最佳性能。

参考文献

[1] 徐国想，张亚君等.强化传热技术及其在硫酸转化系统中的应用进展.化工进展.2001，20（11）：23-27

[2] 李洪亮.强化传热技术及其应用.化工设备与腐蚀.2002，5（2）：111 -113

[3] 张文林，宋卫国，宗贵龙.强化传热的途径及优化设计.河北工业大学成人教育学院学报.2006，（1）：22 -24