结构参数对螺旋槽管传热与阻力性能影响的研究.pdf

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1、第38卷第1期化工机械97结构参数对螺旋槽管传热与阻力性能影响的研究李军H王晨1桑芝富‘史红兵2(1．南京工业大学；2．安徽省特种设备检测院)摘要利用计算流体动力学方法，研究了不同雷诺数下．几何尺寸对螺旋槽管传热厦阻力性能的影响，结果表明，螺旋槽管在凸肋部前后产生了二次涡流，由螺旋形槽道形成的旋流都对边界层形成了扰动，传热性能得到了提高，同时也增加了阻力。在雷诺数相同时，槽越深，换热性能越好。同时流动阻力也有所增大；螺距、槽半径越大，换热效果降低，流动阻力也随之减小。与光管相比，得出螺旋槽管的Ⅳ

2、“最大是光管的2．2l倍，综合性能rl最大为1．27。关键词螺旋槽管传热阻力性能数值模拟中图分类号TQ053．6文献标识码A文章编号0254-6094(201I)01-0097-07螺旋槽管是在圆管外表面滚压出螺旋形的凹槽，在管内形成螺旋形凸肋的异型管，在管子外壁具有螺旋槽，内壁具有螺旋凸肋，可以同时对管内、外进行强化传热，是一种双侧高效强化管。其主要参数有槽深e，螺距JP和槽半径r。在众多强化传热技术中，螺旋槽管被广泛认为具有优越的强化传热性能，其传热系数比光管的高70％¨。21，且具有良好的

3、抗积垢性能。L“。曾力丁等¨1通过试验测定了螺旋槽管内的结垢情况，试验结果显示螺旋槽管的污垢热阻约为光滑管的0．52—0．88倍。张亚君等∽1对螺旋槽管、横纹管和两种不同结构尺寸的缩放管进行了流阻和传热性能实验研究，通过综合性能评价，得出螺旋槽管的性能最优。螺旋槽管优越的传热和抗积垢性能，使其在工程中得到了广泛的应用。文献[7]显示，贵溪发电厂采用螺旋槽管空气预热器替代回转式空气预热器，每年可节省434万元能源费用。其强化机理【81是当流体在管内流动时，受螺旋槽纹的引导，使得靠近壁面的部分流体沿

4、着凸肋之间旋流。有利于减薄边界层厚度；还有一部分流体沿壁面轴向流动，通过螺旋槽纹凸起产生轴向旋涡，引起边界层扰动，从而加快由壁面而至流体主体的热量传递。同时螺旋槽管内侧的凸起部分，也使得管子的传热面积有所增加。ZimparovVD等一’10J测定了11种不同结构参数螺旋槽管的传热性能和压降损失，得到管内、外侧的传热系数和总传热系数。与光管比较，结果表明，螺旋槽管总传热系数是光管的2倍，但压降损失却达到了10倍。这也说明，螺旋槽管的流动复杂，其结构参数对实验结果有很大影响。虽然其他学者对螺旋槽管的

5、结构参数对其传热和流动性能的分析比较成熟，但是考虑槽半径影响的极少，且用数值模拟分析结构参数影响的也很少。笔者利用数值模拟¨¨的方法对这种高效换热管的性能加以研究，比较了各结构参数对其性能的影响，发现槽深e越大，换热性能越好；螺距P和槽半径r越大，换热效果越差。1数值计算模型1．1控制方程组流体的流动要受到物理守恒定律的支配。基本的守恒定律包括质擐守恒定律、动最守恒定律以及能量守恒定律。控制方程就是这些守恒定律·李军．男．1986年4月生．硕士研究生。江苏省南京市．210009。98化工机械20

6、11年的数学描述，包括3个一般方程¨21。连续性方程：芈+div(胪)=0式中p——密度，kg／m3；t——时间，s；群——速度矢量，m／s。动量方程：石方向掣ⅧV(掣)=一署+鲁+鲁+鲁幔，，方向掣+div(p”H，=一考+鲁+鲁+鲁”，；方向等+div(pw口，=一害+鲁+鲁+鲁+t式中H——速度矢量／／在z方向的分量。秒——速度矢量H在Y方向的分量；W——速度矢量口在z方向的分量；P——流体微元体上的压力；，。、F，、，-微元体上的体力，在只考虑重力的情况下，F，=F，=0，F，=-pg。

7、对于牛顿流体，粘性应力，-与流体的变形率成比例，有：r。=钆尝+A’diV(“)，r，=钆考+^’diV(“)，r，，=钆警+A’diV(Ⅱ)，～=，．，=p(考+考)．，Oua”、，a移Ow、r一=r“2pli+面JJ一钉，邓Ii+石J。r一下。、r"，-。r，是由分子粘性作用而产生的作用在微元体表面上的粘性应力下的分量。式中p——动力粘度，Pa·s；AL-第二撇，—搬可取A’=一寺，Pa·s。能量方程：学+aiv(p订)．div(}砌刁“t式中r——温度，K；c。——比热容，J／(kg·K)

8、；k——流体的传热系数，W／(m2·K)；S广流体的内热源及由于粘性作用使得流体机械能转换为热能的部分，也称为粘性耗散项，J。对于牛顿流体，其表达式为H引：s。=p{2【(罢)2+(考)2+(警)2】+(考+罢)2+(詈+署)‘+(詈+警)2)+A’(詈+酊0_yv+警)‘1．2物理模型和边界条件笔者所用模型为单根管径25mm的螺旋槽管和光管，并在其外部套上管径为50mm的管子作为壳程，长度为420mm。换热管的壁厚在建模时被忽略，但是管壁的热阻仍被保留。在螺旋槽管两端分别保留长度为10mm的光