赛洛喷枪旋流器结构的换热特性研究

范孝锋，王强，徐迅，何靖

（1.衢州华友钴新材料有限公司，浙江 衢州 324000；2.昆明理工大学 冶金与能源工程学院，云南 昆明 650000）

奥斯麦特和艾萨熔炼工艺是利用赛洛喷枪分别把空气与燃料喷入熔池内，以达到强化传热、传质效率和化学反应速率的熔炼方式[1]。但由于喷枪长期处于高温、恶劣的环境中，因此换热效果的优劣会直接影响喷枪寿命的长短。改善换热条件最有效的方式就是在空气通道中设置旋流片，增大换热面积，强化扰动，从而降低喷枪壁面温度[2]。周水洪等指出旋流片强迫流体做螺旋流动，使流体冲刷壁面，能减薄换热边界层，增强换热效果，同时也会产生一定的压力损失[3-5]。周期性布置的旋流片能产生衰减性的旋流，综合换热效果较好。此外，旋流器结构是影响其综合传热性能的主要因素。刘佳驹等对比研究了螺旋管换热器和光管换热器，研究表明螺旋管换热器综合换热性能优于光管，且换热量增量远大于功耗倍数[6]。张俊霞等采用数值模拟计算了套管换热器的不同出口位置和倾角对换热特性的影响，结果表明套管出口位置对换热量影响很大，倾角对其影响较小[7]；Iman Bashtani等研究了带有3个不同波幅的波纹管式换热器[8]。结果表明，在雷诺数相似的情况下，使波纹的努塞尔数增加、平均努塞尔数约为简单换热器的1.75倍。综上所述，旋流器结构对换热效果影响显著，本文主要结合数值模拟深度研究不同结构旋流器换热特点。

1 模型建立

1.1 数学模型

连续性方程、动量方程和能量方程通过CFD FLUENT进行求解，连续性方程、动量方程、能量方程分别见式（1）~式（3）：

式中：ρ、u和h分别是流体的密度、速度和焓值。

使用Boussiesq假设，可以将雷诺应力张量和湍流通量描述如下：

能量方程(3)可以重新排列为以下形式：

湍流模型选用SST K模型求解，方程如下：

式中：μt为流体的湍流黏性系数；Gk和Gw分别为k和ω方程湍流的动能；Yk和Yw为两个方程的发散项；Dw为正交发散项。

1.2 物理模型及网格划分

赛洛喷枪端部设置旋流片，结构如图1所示。

图1 赛洛喷枪结构

喷枪内管内径为5 mm，内管外径为6.35 mm，外管内径为14.3 mm，外管外径为15.9 mm，旋流器长度为175 mm。旋流器入口已达到充分发展条件，出口无回流。

利用ICEM建立物理模型。网格划分如图2所示。对壁面附近网格加密，无量纲距离小于0.1，并以1.2的固定比值增加。网格质量参数Quality mettics criterion最小值为0.45，保证了计算过程的收敛效果与准确性。最大网格体积为7.376 333×10-9m3，最小网格体积为1.094 708×10-11m3，网格总数为117.65万个。

图2 计算区域网格划分

1.3 边界条件及工况

入口空气质量流量为104.125 635 kg/（m2·s），温度为300 K，采用速度边界条件；出口采用压力边界条件；外壁面施加70 000 W/m2的固定热流密度；内壁采用无滑移边界条件；计算在常压下进行。本节使用SIMPLE算法来求解压力—速度耦合，所有离散化方法均采用二阶向上的离散化方案。在保证一定残差数值下检测不同位置流量、温度、速度以监查计算的收敛情况。

分别对螺距倍数（即螺距与直径的比，用“x/d”表示）、肋片厚度m、肋片条数s、肋片高度e不同的结构旋流器的几种工况进行计算，工况数据见表1。

表1 旋流器结构工况

2 模型验证

2.1 网格独立性验证

本文对网格进行独立性验证，对外壁面施加同一固定热流，在相同的空气流量下，对外壁面上温度进行对比。当轴向网格数为63，周向网格数为56时，继续增大网格数量，计算结果基本相同，证明此时网格具有独立性。

2.2 数学模型验证

Solnordal和Gray的研究表明，当旋流器螺距为0.9~1.2倍外径时，其传热系数可比光管提高2.35倍。论文验证结果见图3。这表明旋流器管内壁面的换热系数与光管的比值在2.33~3.10倍，与实验结果相近，证明论文数学模型已经达到计算要求。

图3 旋流器与轴流式套管换热系数

3 结果分析

3.1 不同螺距倍数旋流器对换热效果的影响

在s=1条、m=15°、e=7.95 mm的条件下，不同螺距倍数(x/d)对应的旋流器温度情况见图4。

图4 不同螺距倍数对应的旋流器温度情况

由图4可知，设置旋流器能大幅度降低壁面温度，且螺距倍数越小，计算区域温度场和外壁面温度越低。这主要是因为减小螺距倍数可以增强流体扰动能力及壁面的对流换热效果；另外，旋流片面积的增加使换热面积增大，从而旋流片传导到内管的热量也会随之减小。

3.2 不同肋数旋流器对换热效果的影响

在x/d=3、m=15°、e=7.95 mm的条件下，不同肋数对应的旋流器温度情况见图5。

由图5可知，旋流器外壁面温度主要分布在350~430 K，且肋片数目越多，计算区域温度场和外壁面温度越低，降低效果显著。这是因为一方面，增加肋片数意味着增加了内外管之间的导热通道，提高管间导热热流；另一方面，因为旋流片数目的增加，增大了管壁与流体的换热面积，被空气带走了更多的热量。

图5 不同肋数对应的旋流器温度情况

3.3 不同肋厚旋流器对换热效果的影响

在x/d=3、s=1条、e=7.95 mm的条件下，不同肋厚对应的旋流器温度情况见图6。

图6 不同肋厚旋流器温度情况

由图6可知，肋片厚度对计算区域温度场影响较小，增加肋片厚度只能较小程度降低旋流器外壁面温度。这是因为肋片厚度增加，只能小幅度减小流道面积，对流速、换热系数和导热能力增强的效果有限。

3.4 不同肋高旋流器对换热效果的影响

在x/d=3、s=1条、m=15°的条件下，不同肋高对应的旋流器温度情况见图7。

图7 不同肋高对应的旋流器温度情况

由图7可知，肋片高度对计算区域温度场和外壁面温度有较大的影响。肋片高度越高壁面温度越低，且肋片连接内外管时壁面温度降低幅度更大。这是因为，肋片高度越高换热面积越大，空气带走的热量越多。另外，肋片高度越高，流道截面积越小，流体流速越快，也能增强换热效果。此外，肋片连接内外管时，内管也成为增大换热面积的一部分，从而进一步提高换热能力。

3.5 不同喷枪结构对综合换热效果的影响

虽然改变旋流片结构可以增强其换热能力，但也会增大内部的阻力损失，因此本文选用Webb和Kim提出的一种应用广泛的评估标准(PEC)[11]来评估各结构旋流片的综合换热效果。4种旋流器综合换热效果如图8所示。

图8 不同结构旋流器的PEC值

由图8(a)可知，PEC随螺距比的减小而增大，说明在研究范围内，减小螺距比是一种增强综合换热能力的有效方式。由图8(b)可知，采用两片旋流片时，PEC值最大，说明旋流片数目为2时综合换热能力最强。由图8(c)可知，肋高在3.975 mm时，PEC值最大，说明该肋片高度导致的流体湍流强度最大，壁面温度边界层最薄，综合换热能力最强。但是此评价方式只适用于对流换热，此外当肋片连接内外套管时，旋流器的导热对换热效果存在一些影响。由图8(d)可知，在研究范围内肋片越厚，PEC值增幅越小，总体来说对综合对流换热能力的影响较小。

4 结论

本文基于赛洛喷枪旋流器结构的研究，建立了几种不同结构旋流器换热的数值计算模型，计算并分析了各旋流器在固定热流边界条件下的旋流器外壁面温度变化特性和综合换热能力。结论如下：1）旋流器外壁面温度随螺距比(x/d)的减小而减小，说明换热强度随着螺距比的减小而增强。同时，PEC值随着螺距比的减小而增大，说明螺距比的减小也可以提高综合换热能力。2）旋流器外壁面温度随着肋片数量的增大而减小，说明肋片数目越多换热能力越好。双肋片时PEC值最大，说明此时综合换热效果最好，更经济实用。3）旋流片的外壁面温度随着肋片高度增大而降低，一方面是因为换热面积随着肋片高度的增加而增大，另一方面是因为随着肋片增高，流道截面积减小，导致流速增大，换热能力增强。此外，肋高为3.975 mm时PEC值最大，这说明在此结构下，综合对流换热能力最强。4）肋厚对旋流器换热能力无明显影响。