管型结构对管内强化传热效果影响的研究进展

李 论

（华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京 102206）

0 引言

进入工业化社会以来，能源问题在社会生产活动中日渐突出，世界各国的科研人员对提高能源利用效率的研究也愈加深入。 在制冷空调、石油化工、城市供热等行业中广泛应用到的对流换热技术，是提高能源利用效率的一个方向。 自20 世纪60年代，国内外众多热科学研究者对强化传热技术的研究不断深入，开发出许多新型换热器。 截至目前，对强化传热所采取的方法多集中在换热管结构的设计，开发出许多强化传热结构如内螺纹管、横纹管、翅片管、波纹管、螺旋槽管、异型管等。 并且已经广泛应用于工业生产和社会生活之中。 本文重点对近五年研究成果进行总结，意在紧跟国内外关于管内结构强化传热的研究进展。

1 管型结构影响管内强化传热研究进展

1.1 内螺纹管

内螺纹管指在管的内壁上加工出一条或多条螺旋上升的膛线。 由于管内壁上螺纹的存在，当流体流过时，靠近壁面的流体随螺纹螺旋流动，从而扰动了边界层，使强化传热得到增强。 内螺纹管影响传热的结构参数有螺纹截面形状、 螺纹头数、 螺纹宽度、高度、螺纹升角，世界各国科研人员对不同结构参数内螺纹管的研究一直在进行。 Liu Xiaoyue 等[1]以数值模拟的方法，研究了矩形截面螺纹、三角形截面螺纹、圆顶截面螺纹三种不同螺纹截面形状对管内强化传热的性能改善效果。 研究发现，当雷诺数较大时，矩形截面螺纹和圆顶截面螺纹的摩擦系数和努赛尔数相同，而在低雷诺数条件下，圆顶截面螺纹的摩擦系数远大于矩形截面螺纹。 Zhanwei Liu 等[2]用数值方法研究了矩形翅片、三角形、和圆顶形三种截面形状、螺纹升角、螺纹头数等因素对流动和传热特性的影响，结果表明螺旋角在所有研究变量之中对传热效果的提升最大，而截面形状对传热效果的影响最小，三种截面形状下努赛尔数和摩擦系数差值在10%以下。 Wang[3]等以乙二醇水溶液为流体， 对内径22.48 mm 的内螺纹管进行实验研究，相比普通光管其综合传热效率提升约1.55～1.8。 Raj[4]等以乙二醇、水两种流体，实验研究螺纹升角、螺纹高度在层流和湍流状态下对传热性能的影响，实验结果表明在层流状态时，使用乙二醇作为流体管内表面换热增强34%；湍流状态下水作为流体管内表面换热增强18%。

1.2 内翅片管

20 世纪70年代初，美国首先提出了内翅片管。这种换热管采用了特殊工艺设备进行加工，扩大了换热管的管内面积， 相比内螺纹管中以螺纹形式强化传热，翅片更薄、数量小、翅片顶端更靠近管中心甚至连接于管中心轴线上，并且无螺旋升角。 翅片管强化原理与内螺纹管增加粗糙度以扰动边界层为主不同，内翅片管更是以增大换热面积为主。 Khanmohammadi[5]等采用三维数值模拟的方法，探讨了不同星状翅片(普通翅片、带齿直翅片、弯曲翅片)对努赛尔数和摩擦系数的影响，结果表明，三种管型结构较光滑管均可明显提高努赛尔数和摩擦系数。 并且弯曲翅片在三种形状中效果最佳，努赛尔数最大提升约52%。 张倬[6]使用数值模拟方法研究了层流状态流体在内直肋管的传热性能，结果指出内直肋强化管对平均努赛尔数的提升均比较明显，而对摩擦阻力系数只有略微提升。

1.3 横纹管

横纹管是在管壁上滚压出与管子轴线成90°的横向槽纹，在管壁内形成等距的内陷圆环。 管内流体流经圆环时在管壁上形成轴向旋涡，增强流体边界层的扰动，因而使传热得到强化。 明慧[7]和陈邦强[8]用数值模拟方法对管内流过水的横纹管进行传热研究，发现横纹管在提升传热效果的同时，对摩擦系数的增大也较大。 对内凸局部云图分析发现，流体在流经内凸结构后产生回流，这与前两种结构管型不同。

1.4 波纹管与缩放管

波纹管是用管内扩张的方法，将管子加工成内外均呈连续波纹曲线的波纹管，使管子的纵向截面成波形，由相切的大小圆弧构成。 流体流过时由于管内流体的流动截面不断变化，使流体形成周期性的扰动因而强化传热效果。 Andrade 等[9]以实验方法对内径为5.75 mm 的一个光滑管和两个波纹管进行了对比研究。 结果表明，在研究雷诺数范围内波纹管的摩擦系数比光滑管的摩擦系数有更平稳地过渡。 另外，波纹管在过渡流态下对于增强换热更有效，最大的传热增强发生在雷诺数为2000 时。 张亮[10]、郭佳馨[11]用数值模拟对波纹管的几何尺寸影响传热特性进行研究发现，波幅和波长对波纹管的传热均有影响，波长越短，波幅越大强化传热效果越好，但同时会以增强管内摩擦阻力为代价。 在雷诺数大于2000 左右时，增大波长能改善综合换热效果。 江嘉铭[12]也以数值模拟研究了波纹管的波纹周期和波峰高影响管内流动与换热的规律，其指出在实际工程应用中应根据工程实际合理采用不同波纹周期和波峰高度的配置，能在提高传热性能的同时而最大程度上减小流动阻力的增大。

缩放管结构与波纹管相似，是指以渐缩渐扩结构交替布置的管型， 缩放管强化传热原理与波纹管相同，流体形成周期性的扰动，达到强化换热的效果。 按照其收缩开始端是先缩小或是先扩张分为先扩后缩管和先缩后扩管。 王旭[13]用数值模拟研究了等截距缩放管的结构参数对传热特性的影响，结构参数分别为缩放角、喉径比、节距。 发现缩放角与传热性能成正比，喉径比与传热性能成反比，节距在较小时能提高传热性能而当节距较大时传热性能基本不变，即节距对提高传热效果有一定的限度。

1.5 微肋管

近年来，随着前述管型结构的研究深入并取得应用，不能满足现有需求，科研人员开发并研究一些新型管型结构，如三维内肋管[14-15]、麻面管[16-17]、半胶囊形内肋管[18]、锥形内肋管[19-20]等，这些结构的强化管虽然结构不同，但其拥有共同特征：（1）管内布置局部突起以引起流体在壁面处扰动；（2） 强化传热原理均以扰动边界层为主。

三维内肋管是在光管的内表面加工出针状或鳞状的肋片来实现强化换热。 刘爽[15]以空气为工质对三维内肋管的换热和阻力特性进行实验研究，实验结果表明三维内肋管对强化传热效果显著，换热系数较光管可达3.15 倍。 另外，其对肋高、肋间距、肋宽三种结构参数对换热的影响程度进行分析，指出强化传热影响效果由高至低为肋高、肋间距、肋宽。

麻面管是近期开发出的一种高效换热管，管的表面布置向内凹陷类似高尔夫球凹坑的突起。 闫顺林[17]用数值模拟方法，研究了麻面管突起的凸深、凸距对流体流动和换热特性的影响。 研究得出当凸深越大强化传热效果越明显，在凸深小于0.5 mm 时，影响效果明显，大于0.5 mm 后，虽有增强效果但不明显。 凸距对强化传热效果影响较小，但凸距越小流动产生的阻力更大。

半胶囊形内肋管结构与麻布管类似，在换热管表面布置半椭球形内突起。 邵敏[18]对不连续双斜向内肋管进行了数值模拟和实验的对比研究。 研究表明由于此结构内肋存在，管内流体在壁面处形成了强烈的涡流，增强了扰动。 另经实验测定，使用不连续双斜向内肋管的换热器较光管换热器，换热效率提高了5.23%。

锥形内肋管在换热管内表面布置由两个同底不等高相靠三棱锥组成的突起， 长的布置在迎流面，短的在其后，形成向管内凸出的内肋结构。曹海亮[19]以数值模拟方法研究了锥形内肋结构参数对传热和流动阻力的影响，结果表明在雷诺数小于15000 时，对综合传热性能增大程度理想，提升效果为15%～25%，随着雷诺数更大时，综合性能平稳降低并趋近1，即在雷诺数大时，强化传热效果不明显。

2 结语

随着工业进程的发展，对高效强化换热管的研究以及对新型换热管的开发探索进入了更高的要求和探索。20 世纪开发研究的如螺纹管、横纹管、翅片管的研究已经深入， 在生产中已经大规模运用并形成标准，未来探索高效强化传热技术的方向可能在微型内肋。 微型肋结构的肋具有扰流强度大、阻力小、省材等优点，但碍于其具有高度个性化的特点对加工生产提出了难度，在实际应用上可能还不能快速普及。 随着计算流体力学的发展，对开发新型高效强化换热管提供了帮助， 数值模拟能都满足个性化新型微肋的探索，克服实验周期长的短板。 以数值模拟为主，结合实验验证将会是强化传热的发展途径。