高压水在横纹槽螺旋管中的传热性能研究.pdf

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1、５６４化工机械２０１７年①高压水在横纹槽螺旋管中的传热性能研究王小娟李庆生（南京工业大学机械与动力工程学院）摘要采用ＦＬＵＥＮＴ软件，以高压水为介质分析了光管螺旋管和横纹槽螺旋管管内流体流动传热和压降性能。结果表明：横纹槽螺旋管的传热性能优于光管螺旋管，同时压降也高于光管螺旋管。关键词绕管式换热器光管螺旋管横纹槽螺旋管传热性能中图分类号ＴＱ０５１．５文献标识码Ａ文章编号０２５４-６０９４（２０１７）０５-０５６４-０５［７］绕管式换热器相对于普通的列管式换热器具为２．９～５．７时的努塞尔数Nu公式。ＲｏｇｅｒＧ有结构紧凑度高、适用温

2、度范围广、可用于高压环ＦＣ和ＭａｙｈｅｗＹＲ实验研究了螺旋换热管内的境、传热温差小、热应力能自身消除、适应热冲击对流传热和摩擦系数，并提出了雷诺数Re范围为及可同时进行多种介质的传热等优势。ＦｅｒｎｇＹ１００００～１０００００、普朗特数Pr为７时的努塞尔数［８］Ｍ等利用ＣＦＤ方法分析了迪恩数De和螺距对绕Nu公式。ＭｏｒｉＹ和ＮａｋａｙａｍａＷ通过理论和管式换热器管程传热性能的影响，并通过实验数实验两种方法研究了在定热通量边界条件下弯管［１］据验证该ＣＦＤ模型的合理性。ＪａｙａｋｕｍａｒＪＳ内的湍流传热，并对相同的模型以定壁温为边界

3、［９，１０］等采用实验和数值模拟方法对螺旋管换热性能进条件研究其传热性能。ＪａｙａｋｕｍａｒＪＳ等通过行研究，结果表明恒定壁温和恒定热流率边界条实验和数值模拟两种方法研究了绕管式换热器在件均有一定的误差，采用耦合传热计算方法后，实液-液之间管内的传热特征，分析了定壁温、定热［２］验和数值模拟结果吻合较好。ＲａｉｎｉｅｒｉＳ等实通量和定对流系数３种边界条件对换热管ＣＦＤ验研究了在光滑螺旋换热管和波纹螺旋换热管内模型的传热影响，拟合的努塞尔数Nu公式适用的强制对流传热，结果表明：在低迪恩数时，两种的迪恩数De范围为２０００～１２０００、

4、普朗特数Pr［１１］结构的传热效果相近；高迪恩数时，波纹螺旋换热范围为１．０～３．５。［３］管传热效果强于光管。ＹａｎｇＧ等通过迪恩数横纹槽管式换热器是２０世纪７０年代中期出De、扭曲和普朗特数Pr３个变量，采用数值模拟现的一种高效换热器元件，可以显著强化流体的方法研究了在螺旋换热管内充分发展的层流对流传热效果，目前为止对横纹槽螺旋管的换热性能［４］传热。ＺａｃｈａｒＡ通过数值模拟分析了不同的几研究较少。笔者进行横纹槽螺旋管与光管螺旋管何参数和热边界条件对层流和过渡流传热速率的的传热特性分析。［５］影响。ＳｈｏｋｏｕｈｍａｎｄＨ和Ｓ

5、ａｌｉｍｐｏｕｒＭＲ基于1数值模拟最小熵变原则，采用定壁温边界条件分析了螺旋1．1物理模型［６］换热管内的层流流动特性和传热性能。Ｓｅｂａｎ光管螺旋管的模型如图１所示，其中d为管ＲＡ和ＭｃｌａｕｇｈｌｉｎＥＦ实验分析了水在螺旋换热直径，p为节距，D为缠绕直径，α为螺旋角。螺旋管内层流和湍流状态下的传热特征，并给出了雷管的具体参数为：d＝１０ｍｍ，p＝５０ｍｍ，D＝诺数Re范围为６０００～６５５００、普朗特数Pr范围２００ｍｍ。横纹槽螺旋管的模型如图２所示，是在①基金项目：江苏省六大人才高峰项目（２０１４-ＺＢＺＺ-０１３）。作者简介

6、：王小娟（１９８８-），硕士研究生，从事换热器的传热强化和结构设计研究。联系人：李庆生（１９６９-），副教授，从事结构强度和高效传质传热设备的研究，ｌｑｓｈ＠ｎｊｔｅｃｈ．ｅｄｕ．ｃｎ。第４４卷第５期化工机械５６５光滑螺旋管的外壁滚轧出与管子轴线垂直的凹■ui■uj其中，（-ρuiuj）＝μｔ+，Γ为分析槽，其中m为相邻两个凹槽之间的轴向距离，e为■xj■xi槽深，n为槽宽。其具体参数为：m＝４７ｍｍ，e＝热扩散率，Γ＝μ／Pr；Γｔ为湍流热扩散率，Γｔ＝μｔ／２０．３ｍｍ，n＝１．０４ｍｍ。kPrｔ。湍流粘性系数μｔ＝ρCμ，Cμ

7、是常值，k是湍ε动能，ε是湍流耗散率。在ＣＦＤ分析中，可实现k-ε湍流模型，需要求解湍动能k和湍流耗散率ε：ｄk■μｔ■k湍动能kρ＝μ++Gk+Gｂ-ρε-ｄt■xjσk■xjYＭｄε■μｔ■ε湍流耗散率ερ＝μ++ρC１Sε-ｄt■xjσε■xj２图１光管螺旋管模型εερC２+C１εG３εGｂk+νεk1．3网格划分图３为横纹槽螺旋管光滑处和横纹槽处的网格示意图。由于螺旋管在流动过程中会产生二次流，近壁面处流动复杂，因此需要加密网格。但是，加密网格的同时，计算时间和计算机的内存会造成一定的限制。因此，笔者采用加强壁面函数，在保证

8、计算精度的基础上节省计算时间。最终，进行网格无关性验证后，网格数量为１９１２３２０。ａ．横纹槽螺旋管模型ｂ．横纹槽放大图ａ．光滑处图２横纹槽螺旋管模型1．2数学模型笔者采用Ｒｅａｌｉｚａｂｌｅk-ε湍流模型，数学模型包括连续性方程、动