楊文灝，喻九陽，吳艷陽，高九陽，劉利軍，劉 倩，林 緯

(武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

0 引 言

螺旋槽管自20世紀(jì)60年代問世以來，國內(nèi)外很多學(xué)者都對其進(jìn)行了研究，Moffat和Zimparov分別對臥式冷凝器中的螺旋槽管進(jìn)行了研究，Mofat對11種不同螺距和槽深的螺旋槽管進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，建立了總傳熱系數(shù)、冷凝側(cè)的傳熱系數(shù)的相關(guān)準(zhǔn)則方程[1].Zimparov測定了11種不同結(jié)構(gòu)參數(shù)螺旋槽管的傳熱性能，得到了螺旋槽管內(nèi)外側(cè)的傳熱系數(shù)和總傳熱系數(shù).通過同光滑管的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，結(jié)果表明螺旋槽管的總傳熱系數(shù)是光滑管的2倍[2].

脈沖流動(dòng)對對流傳熱的影響目前還沒有一致結(jié)論：a.俞接成、Himadri Chattopadhyay等認(rèn)為脈沖流動(dòng)對傳熱過程沒有影響[3-4]；b.Mackly實(shí)驗(yàn)證實(shí)脈沖流對帶內(nèi)肋片圓管強(qiáng)化效果顯著，但對普通圓管直通道沒有強(qiáng)化換熱效果[5]；c.A.E.Zohir等認(rèn)為脈沖流能強(qiáng)化傳熱[6-7].

本研究應(yīng)用Fluent軟件對等壁溫條件下，對三維螺旋槽管內(nèi)脈沖流進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了脈沖流對管內(nèi)單相流流動(dòng)和換熱的影響[8].

1 計(jì)算模型及邊界條件

在數(shù)值模擬計(jì)算中，由于螺旋槽管的不對稱結(jié)構(gòu)，故對螺旋槽管進(jìn)行三維建模，取螺旋槽管長度為L=500 mm，外徑Df=18 mm，內(nèi)徑D0=16 mm，管子長度L=500 mm，槽深e=0.48 mm，節(jié)距p=4.8 mm.如圖1所示，此外，按照實(shí)際模型的結(jié)構(gòu)，在建立螺旋槽管幾何模型時(shí)，在管的進(jìn)出口端各增加了兩個(gè)直管段，長度分別為25 mm以及30 mm.如圖1所示.

圖1 螺旋槽管二維示意圖

該模型網(wǎng)格劃分如圖2.壁面為等溫條件，溫度為293 K,壁面速度無滑移.本實(shí)驗(yàn)將入口給定速度脈沖作為脈沖流動(dòng)的原因，其表達(dá)式為：

v=v0[1+Asin(2πnt)]

其中為v脈沖流瞬時(shí)速度，v0為穩(wěn)態(tài)流速度，A為脈沖流振幅，n為脈沖流頻率.顯然當(dāng)A為0時(shí)，演變成穩(wěn)態(tài)流.計(jì)算時(shí)，V0=0.05 m/s， 分別取1,3,5,8,10，A分別取2,4,6,8,10.為了便于計(jì)算，壁面溫度恒定為293 K.流體工質(zhì)為水，流體入口溫度為333 K.

圖2 螺旋槽管網(wǎng)格示意圖

采用壓力與速度耦合的SIMPLER算法進(jìn)行離散求解，擴(kuò)散項(xiàng)采用中心差分格式.收斂標(biāo)準(zhǔn)是出口處的平均溫度呈周期性波動(dòng).

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 出口中心處壓力分布圖

圖3中表示的是當(dāng)A=1時(shí)，n=2,4,6,8,10時(shí),螺旋槽管出口截面平均壓力波動(dòng).從圖中可知，當(dāng)脈動(dòng)流通過半個(gè)周期以后，壓力波動(dòng)值達(dá)到最大，并且在相同的振幅條件下，頻率n越大，壓力波動(dòng)也越大.并且出口截面平均壓力的波動(dòng)隨頻率n增大而增大.這是因?yàn)橛捎谌肟谔幉捎谜颐}沖流輸入，頻率越大，速度波動(dòng)也越大，從而導(dǎo)致出口平均壓力隨頻率n增大而增大.

圖3 出口中心處壓力波動(dòng)圖

2.2 脈沖流參數(shù)對于流場的影響

圖4、5是在通入的脈沖流參數(shù)為A=1、n=4時(shí)，第50個(gè)螺旋槽段的穩(wěn)態(tài)和脈沖流條件下的流函數(shù)的分布圖和速度矢量圖.由于是三維建模，所以我們建立Z=0的平面，以便于觀察管內(nèi)的流場情況，圖4所示的是一個(gè)計(jì)算周期下不同相位是流體的流函數(shù)圖；圖5中表示脈沖流條件下一個(gè)周期內(nèi)不同相位時(shí)流體的速度矢量圖.通過圖形可以表明：穩(wěn)態(tài)流動(dòng)條件下，此波段內(nèi)流體流態(tài)是固定且無漩渦；但當(dāng)通入脈沖流后，在一個(gè)周期內(nèi)，流體形態(tài)不斷發(fā)生變化，基本過程如下:首先流體同向流動(dòng)，速度場無渦旋，當(dāng)脈沖相位超過180°，即達(dá)到負(fù)周期時(shí)，脈沖流流體在開槽處靠近流體入口處產(chǎn)生漩渦.

圖4 流函數(shù)分布圖

圖5 速度矢量圖

2.3 時(shí)均徑向溫度分布

當(dāng)A=5，n=2時(shí)，X=225 mm處即在螺旋槽管第48個(gè)開槽處穩(wěn)態(tài)和脈沖流條件下的徑向溫度分布圖，從圖6中可知，由于脈沖流作用，時(shí)均徑向溫度分布在壁面附近比穩(wěn)態(tài)時(shí)的斜率要大，這樣就降低了溫度邊界層的厚度，從而強(qiáng)化傳熱.

圖6 徑向溫度分布圖

2.4 脈沖流強(qiáng)化傳熱的場協(xié)同分析

當(dāng)A=1，n=6時(shí)，螺旋槽管在XY剖面上的速度矢量圖和溫度等值線圖如下所示，由圖7和圖8中可知，在螺旋凸起區(qū)域，溫度梯度矢量發(fā)生了偏轉(zhuǎn)與軸線成一定角度，速度矢量方向也發(fā)生了角度偏轉(zhuǎn)，不再與軸線平行，這樣速度場和溫度場得協(xié)同性變好，從而強(qiáng)化傳熱.

圖7 螺旋槽管XY剖面速度矢量圖

圖8 螺旋槽管XY剖面溫度等值線圖

圖和與不同振幅之間的關(guān)系

3 結(jié) 語

a.通過fluent數(shù)值計(jì)算，得到出口中心處壓力呈周期性波動(dòng)，在相同的波動(dòng)條件下，頻率越大，壓力波動(dòng)也越大.

b.脈沖流通入后使得流體在螺旋槽管開槽處產(chǎn)生漩渦，這樣大大增加流體的擾動(dòng)，降低了邊界層厚度，從而強(qiáng)化換熱.

c.與穩(wěn)態(tài)流相比，由于脈沖流的作用，槽管壁附近會有漩渦產(chǎn)生、然后漂移最后脫落.

d.通入脈沖流后，速度場和溫度場得協(xié)同性變好，從而強(qiáng)化傳熱.對其進(jìn)行場協(xié)同分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)振幅大于某一臨介值以后，周期平均場協(xié)同數(shù)以及壁面平均努塞爾會隨著振幅的增大而增大，會起到強(qiáng)化傳熱的效果.

參考文獻(xiàn)：

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