正弦型波纹管强化传热机制的数值分析-11.pdf

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1、第 卷第 期 年 月南 京 工 业 大 学 学 报（自 然 科 学 版）（）：正弦型波纹管强化传热机制的数值分析陈 瑶，顾伯勤，周剑锋，吴士伟（南京工业大学 机械与动力工程学院，江苏 南京）收稿日期：基金项目：国家自然科学基金（）；江苏省自然科学基金（）；江苏省高校自然科学基金（）作者简介：陈 瑶（），女，河南南阳人，硕士，主要研究方向为微管道的强化传热；顾伯勤（联系人），教授，：摘 要：基于 软件建立了正弦型波纹管内流体的数值分析模型，研究了湍流状态下管内流体的流动与传热特性，分析了波纹管不同结构参数及流体进口速度对管内强化传热性能的影响规律。研究表明：当雷诺数 相同时，正弦型波纹管内流体的

2、平均努赛尔数 是其当量直径光管的 倍，且当 约为 时，传热效果最佳；波高、波长对波纹管强化传热均有较大影响，在高雷诺数条件下，经过结构优化的波纹管能使回流区与主流区交界处形成不稳定的剪切层，此时传热效果达到最优。关键词：正弦型波纹管；强化传热；数值模拟中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，）：，（），（），：；近年来，随着传热领域节能、高效、低阻概念的提出，强化传热新技术的研发及其在管壳式换热器中的应用已受到越来越多的关注。光管是传统管壳式换热器的常用换热元件，但由于其换热效率低，目前已开发出各种形式的、具有强化传热能力的异型管，如横纹管、螺纹管、波纹管、波节管等。波纹管是一种截面呈周期

3、性变化的流体通道，流体流经波峰波谷时速度、压力发生周期性变化，在波峰内出现了分离、漩涡、再附着等过程，形成的径向流和涡流强化了主流区和壁面流体的混合，增加了流体的湍动程度，减薄了壁面边界层，使流体在较低流速下即达到湍流。国内外很多学者对波纹管及波纹型通道的流动与传热性能进行了大量研究。肖金花等对大小圆弧相切波纹管内流体的流动与传热性能进行了数值分析，发现在湍流状态下，波纹管的传热效果是直管的 倍，且雷诺数 为 时强化传热效果最佳。等对梯形波纹管内 在 范围内的纳米流体的流动传热进行了分析，发现随着波高的增大，波纹通道的平均努塞尔数 和压降相应增大；随着波长的增加，逐渐减小，但压降逐渐增大。迄今

4、为止，对正弦型波纹管单管内流动与换热规律的研究甚少。刘洁等对 在 范围内的 种尺寸的正弦型波纹管进行了实验研究，发现该波纹管换热效果优于直管，但其研究的试验参数范围比较窄，存在一定局限性。针对以上不足，笔者拓宽雷诺数和几何尺寸范围，建立正弦型波纹管的数值分析模型，研究管内流体的流动与传热特性，并对其结构进行优化，从而揭示正弦型波纹管强化传热机制并确定最佳几何参数。数值分析模型 几何尺寸建立的正弦型波纹管轴向对称截面如图 所示，特征尺寸包括波高、波长 和基管直径。为了避免波纹管进出口段对数值模拟结果的影响，建立波纹管几何模型时，在其两端增加了 个直管段，其直径为 ，长度均为 。图 波纹管几何模型

5、（）（）根据现有研究结果，波纹管的波高和波长对传热和流动影响显著。基管直径为 ，波纹管总长为 。笔者研究特定基管直径条件下，和 对波纹管内流体流动和传热的影响。为了便于分析比较，分别定义 个可直观反映波纹管几何特征的量纲为一的结构参数 、（图），两参数的具体取值如表 所示。表 波纹管量纲为一的结构参数 序号量结构参数 有限元模型波纹管内的理想流动模型为轴对称模型，为了减少计算量，仅建立 的波纹管模型进行分析，如图（）所示。采用非结构化网格对建立的模型进行网格划分，波纹管壁面附近网格加密，以 波纹管为例，通过网格独立性验证之后确定网格如图（）所示。数值分析时作如下基本假设：管内流动介质为水，且为

6、不可压缩流动；管内流动传热均为充分发展，是稳态流动；流体物性参数为常数，不随温度变化；不考虑流体重力的影响；忽略壁厚，壁面无速度滑移。控制方程数值模拟在三维正交直角坐标系下进行，流体流动的连续性方程为（）式中：、分别为流体在、和 方向的速度，。动量方程为 第 期陈 瑶等：正弦型波纹管强化传热机制的数值分析图 波纹管三维模型及网格 （）（）（）式中：为流体密度，；为流体的压力，；为流体的动力黏度，。能量方程为 （）式中：为流体定压比热，（）；为流体传热系数，（）；为黏性耗散项；为流体温度，。边界条件及求解参数设置边界条件如图（）所示，包括：波纹管进口采用速度进口边界条件，入口速度范围在 ，对应的

7、雷诺数为 ，入口温度为 ；出口为充分发展的压力出口边界，相对压力为；壁面无速度滑移，设定为恒壁温 ；个轴截面设为对称边界条件。计算采用基于压力求解器的稳态隐式格式求解，利用有限容积法对上述方程进行离散，湍流模型采用 模型，近壁面选用增强壁面函数，压力 速度耦合采用 算法，对流项采用二阶迎风离散格式，代数方程使用超松弛算法进行迭代求解，各项收敛残差绝对值小于。结果与讨论以波纹管的基管直径 作为其当量直径，分别按式（）式（）计算、热流量、平均努赛尔数 及摩擦因子。（）（）（）其中 （）（）式中：为流体进口平均流速，；、分别为流体进出口温度，；为壁面温度，；、分别为管道进口截面积和管道总表面积，；为

8、平均表面传热系数，（）；为对数平均温差，；为流体的导热系数，（）；为进出口压差，；为管子长度，。流动及传热特性分析在流动充分发展的波纹管段，表 所列的各组几何参数对应的波纹管内的流体流动规律基本类似。以 波纹管为例，当进口速度为 时，波纹管内 轴对称截面上充分发展段一个波纹周期的速度矢量图如图 所示，在 轴对称截面上沿轴线 方向的 个波峰位置（图（）所示）的压力沿管径 方向的变化规律如图 所示。由图 可知：在正弦型波纹管充分发展段，波峰段内的速度低于主流区的速度；由于流道截面周期性的收缩、扩张，导致了速度和压力发生相应的变化，进而在每个波峰段内形成了回流漩涡，该回流区的大小和速度对强化传热起着

9、决定性作用。由图 可知：沿轴线 方向在管长 、和 的 个波峰位置处，压力 逐渐递减；在南 京 工 业 大 学 学 报（自 然 科 学 版）第 卷图 波纹管内流体充分发展段速度矢量（）（）图 各横截面上压力的径向分布 不同周期的相应截面上，压力沿径向的变化趋势一致，而且任意 点对应的压差相等，为一常数。当进口速度分别为 、和 时，轴对称截面内轴线方向 波峰处（图（）主流速度 沿着管径方向的分布如图 所示。图 不同进口速度下波峰截面速度分布 从波纹管中心轴到壁面方向，中心处速度最大，沿着径向方向逐渐减小至，在波峰内速度为负，先负向增加至最大又减小至；在波峰区内，随着波纹管进口速度的增大，漩涡内负向

10、速度也相应增大，故回流区内湍动程度增加，强化了传热。图 反映了波纹管的平均努塞尔数 和相同边界条件下当量直径直管的 随进口 的变化规律，以及 对两管的 比值 （即量纲为一的）的影响。图 平均 随 的变化 由图 可知，波纹管和直管的 均随着 的增大而增大，同时增幅逐渐减小；在所模拟的 范围内，波纹管的 是直管的 倍，当进口速度为 时（），量纲为一的 达到最大，说明此时强化传热效果最好。当 时，随着 的增大，波纹管相对于直管的强化传热性能不断提高，这是因为波纹管产生的回流漩涡冲刷壁面边界层，提高了湍动程度，较之于直管，提前进入了湍流状态，表现出强化传热优势；当 时，随着 增大，波纹管和直管内均已充

11、分发展成湍流，产生的大量剧烈漩涡使壁面边界层减薄，此时边界层对两管的传热影响已差别不大，波纹管的强化传热优势已不明显。在 为 左右时，波纹管早已进入高强度湍流状态，而直管正由低湍流强度向中高湍流强度过渡阶段，故此时波纹管的强化传热能力达到最佳。结构尺寸对传热特性的影响波纹管的轴向截面波形是由周期性收缩扩张的正弦型流线组成，几何尺寸对管内的流动与传热影响显著。对具有相同波长因子、不同波高因子 的 波纹管进行传热模拟，分析波高因子对 和 的影响，结果如图 和图 所示。第 期陈 瑶等：正弦型波纹管强化传热机制的数值分析图 不同进口速度下 随 的变化 由图 可知：当 增大时，先增大又减小，后又增大，当

12、 为 时，最大；每一个波高因子 对应的波纹管，其管内 均随着进口速度的增大而增大。较小时，不利于流体分离形成径向流和漩涡，从而对流体扰动较小；随着 增大，回流漩涡更容易生成且逐渐增强，其对壁面边界层和主流区流体影响增强，传热效果增强，并在 时达到最大值；当 继续增大，波峰内形成了稳定的大尺度漩涡，出现了回流死区，导致传热恶化；进一步增大时，漩涡向下扩张，对主流区扰动增强，开始小幅回升。图 不同波高下 随 的变化 由图 可知：随着 增加，阻力系数逐渐减小直至稳定。随着波高的增大，波纹管的阻力系数增大，当 时，波纹管阻力增加幅度最大。为了获得波长 对波纹管内流动和传热的影响，对 个具有相同波高因子

13、、不同波长因子 的波纹管（和 波纹管）在进口速度分别为、和 时进行了模拟，结果如图 和图 所示。由图 可知：一定，较小时，波峰空间变小，图 不同进口速度下 随 的变化 不能容纳具有较大湍动能的漩涡，此时传热效率很低，很小；随着 增大，波峰内形成的大尺寸的漩涡有效地冲刷了壁面边界层，增加了湍流度，增幅变大；当 时，随着 的增大，波纹管轮廓曲线趋于平缓，在低流速下波峰内回流旋涡的湍动速度很小，热阻较大。因而对于较大 的波纹管，由于生成的漩涡小，热阻相对较小，故大波长因子的波纹管传热较优越。而在较高流速下，漩涡内流动都已稳定，此时小 的波纹管内漩涡尺寸相对较大，其对主流区及边界层扰动更明显，因此，随

14、着 的增大，逐渐减小并趋于稳定。图 不同波长下 随 的变化 由图 可知：不同 对应波纹管的阻力系数随着雷诺数的增大而逐渐变小；越小，阻力系数越大；的波纹管在低雷诺数下阻力系数下降速率更快。综上所述，波纹管（、）在较高流速下生成的回流漩涡不仅使壁面边界层有效地减薄，而且使主流区与回流区的交界处形成不稳定的自由剪切层，加强了流体间的热量交换，因此换热效果最好。南 京 工 业 大 学 学 报（自 然 科 学 版）第 卷 结论）波纹管内充分发展段的速度、压力均表现出周期性，波峰内出现回流漩涡，漩涡内回流速度随进口速度的增加而增大，湍动程度增强，强化了传热。）较之于当量直管，正弦型波纹管明显能强化传热，

15、在所研究的 范围内，波纹管内平均 随着进口 的增加而增大，且强化传热系数是直管的 倍，最佳雷诺数约为。）波纹管波高和波长的变化对强化传热有显著的影响。在文中选取的几何参数范围内，、对应的 波纹管能使流体在主流区与回流区的交界处形成不稳定的剪切层，因此强化传热效果最显著；而当、太大或太小时，强化传热性能均被削弱。）不同波纹管的阻力系数均随雷诺数的增大而逐渐变小并趋于稳定；相同雷诺数下，波纹管的阻力系数随波高的增大或波长的减小而增大。参考文献：林宗虎，汪军，李瑞阳，等强化传热新技术 北京：化学工业出版社，：齐洪洋，高磊，张莹莹，等管壳式换热器强化传热技术概述压力容器，（）：吴峰空气外掠波纹管束强化传热规律数值计算 热能动力工程，（）：张弛，吴慧英，黄后学硅基正弦波纹微通道内的流动阻力特性 化工学报，（）：孙凤玉，张鹏波纹管内流动特性的实验研究 工程热物理学报，（）：，：，：，：肖金花，钱才富，黄志新波纹管传热强化效果与机理研究化学工程，（）：，：刘洁，张和平，裴 威，等正弦型波纹换热管传热特性实验研究石油机械，（）：肖金花，钱才富，黄志新，等波纹管内的流动与传热强化研究北京化工大学学报：自然科学版，（）：顾伯勤，凌祥，陆晓峰，等流体力学北京：中国科学文化出版社，：张国钊各种波纹换热管传热面积的计算 山东化工，（）：（责任编辑 陈怡）第 期陈 瑶等：正弦型波纹管强化传热机制的数值分析