蔣 晨，丁玉梅，張 震，關(guān)昌峰，閻 華，楊衛(wèi)民

（北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100029）

高黏性流體的換熱在工業(yè)應(yīng)用中十分普遍。高黏性流體的強(qiáng)化傳熱有其自身的特點(diǎn)。從強(qiáng)化傳熱的觀點(diǎn)看，希望流體處于紊流狀態(tài)，但高黏性流體的黏度導(dǎo)致紊流狀態(tài)較難實(shí)現(xiàn)。高黏度流體流動(dòng)時(shí)易保持層流狀態(tài)的特性致使其與傳熱面間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較低、傳熱不均勻，不利于工藝過(guò)程的進(jìn)行和設(shè)備換熱能力的提高。對(duì)高黏度物料的強(qiáng)化傳熱研究，已引起工藝過(guò)程的重視并得到了迅速的發(fā)展[1]。黏性流體的強(qiáng)化傳熱在以往的研究中根據(jù)具體情況主要從以下幾個(gè)方面著手：①擴(kuò)展換熱表面；②破壞介質(zhì)的流動(dòng)邊界層，使其盡早地達(dá)到紊流狀態(tài)，成為紊流換熱，或者使其紊流邊界層內(nèi)的渦流在不斷消失的同時(shí)，也不斷地產(chǎn)生，以達(dá)到強(qiáng)化傳熱的目的；③加強(qiáng)管內(nèi)主流流體和壁面附近流體的混合。高黏性流體層流換熱的強(qiáng)化必須使流體產(chǎn)生強(qiáng)烈的徑向運(yùn)動(dòng)以加強(qiáng)流體整體的混合才能產(chǎn)生好的效果。文獻(xiàn)[2-3]分析了高黏度油加熱和冷卻的情況，均認(rèn)為對(duì)于高黏度流體不宜采用螺旋槽管，而推薦采用管內(nèi)插入物的強(qiáng)化傳熱方式。管內(nèi)插入物強(qiáng)化傳熱主要是利用金屬片或金屬絲等使流體產(chǎn)生徑向流動(dòng)，加強(qiáng)流體混合，降低了主流的速度梯度，使邊界層厚度減小，促進(jìn)管內(nèi)流體的速度分布和溫度分布的均勻化，使管壁附近層流底層的溫度梯度上升，同時(shí)也可以降低管內(nèi)流體由層流向湍流過(guò)度的臨界雷諾數(shù)，從而提高黏性流體與換熱壁面間的換熱[4]。

本研究的內(nèi)置組合轉(zhuǎn)子也屬于管內(nèi)插入物，之前對(duì)它進(jìn)行了很多實(shí)驗(yàn)和模擬研究，但是模擬研究大部分都是以水為工質(zhì)[5-6]。本文作者以高黏度流體60%甘油為工質(zhì)，通過(guò)數(shù)值模擬研究了內(nèi)置組合轉(zhuǎn)子支撐的光滑管的傳熱和流阻特性，并進(jìn)一步討論了強(qiáng)化傳熱的方法，為置換類強(qiáng)化傳熱方法在高黏度流體強(qiáng)化傳熱的工業(yè)應(yīng)用方面提供了有效的參考和理論支持。

1 計(jì)算模型及計(jì)算方法

1.1 計(jì)算模型的建立

為了驗(yàn)證模擬方法的準(zhǔn)確性，用Gambit軟件建立裝有組合轉(zhuǎn)子的換熱管模型，將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。由于主要分析管程內(nèi)流體的傳熱特性和阻力特性，考慮到計(jì)算機(jī)計(jì)算能力和運(yùn)算時(shí)間，選取5個(gè)轉(zhuǎn)子組成轉(zhuǎn)子串，管長(zhǎng)210 mm，管程內(nèi)徑24 mm，殼程內(nèi)徑為50 mm，內(nèi)置轉(zhuǎn)子外徑為22 mm，導(dǎo)程為200 mm。計(jì)算模型如圖1所示。

為了分析每個(gè)潔能芯轉(zhuǎn)子對(duì)流體的擾流作用的影響距離，并對(duì)比轉(zhuǎn)子在換熱管內(nèi)間隔排列和無(wú)間隔排列時(shí)管內(nèi)流體的傳熱和阻力特性，采用本文實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過(guò)的模擬方法對(duì)只在入口處加入一個(gè)螺旋兩葉片轉(zhuǎn)子的換熱管以及內(nèi)置有無(wú)間隔排列的換熱管分別進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。為了結(jié)果的準(zhǔn)確性，將模型的管長(zhǎng)定為400 mm；無(wú)間隔排列時(shí)，轉(zhuǎn)子數(shù)為11；轉(zhuǎn)子間隔排列時(shí)，根據(jù)分析結(jié)果，轉(zhuǎn)子間隔定為140 mm，轉(zhuǎn)子個(gè)數(shù)為3個(gè)。計(jì)算模型如圖2～圖4所示。

1.2 邊界條件設(shè)置

為了便于分析，在對(duì)管內(nèi)傳熱性能進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，做出以下合理假設(shè)[7-8]：①流動(dòng)介質(zhì)為不可壓縮流體；②管內(nèi)傳熱和流動(dòng)均已充分發(fā)展；③忽略重力影響；④不考慮潔能芯轉(zhuǎn)子引起的傳熱面積增加。采用FLUENT軟件對(duì)內(nèi)置組合轉(zhuǎn)子換熱管和光管分別進(jìn)行三維穩(wěn)態(tài)求解。將模型導(dǎo)入 FLUENT中，流體流動(dòng)的湍流模型選取RNGk-ε模型，該模型對(duì)瞬變流和流行彎曲影響有較強(qiáng)的預(yù)報(bào)能力，采用強(qiáng)化壁面模型（enhanced wall treatment）對(duì)壁面進(jìn)行處理。進(jìn)出口邊界分別為速度進(jìn)口與壓力出口，潔能芯轉(zhuǎn)子為無(wú)滑移絕熱邊界。速度與壓力耦合采用 SIMPLEC算法，壓力離散為 Standard，其它變量方程均采用二階迎風(fēng)格式離散，整個(gè)區(qū)域連續(xù)性方程的殘差控制在10?4以下，其它物理量的殘差控制在10?6以下。網(wǎng)格劃分采用分體網(wǎng)格（有轉(zhuǎn)子區(qū)域采用四面體，無(wú)轉(zhuǎn)子區(qū)域采用六面體），對(duì)近壁處進(jìn)行網(wǎng)格加密[9]。

1.3 網(wǎng)格獨(dú)立性檢查

為了得到網(wǎng)格獨(dú)立的解，采用不同尺寸的網(wǎng)格進(jìn)行初步計(jì)算，圖5給出了管內(nèi)插入5個(gè)螺旋兩葉片轉(zhuǎn)子時(shí)的考核情況，綜合考慮計(jì)算精度和硬件配置的實(shí)際情況，本文的網(wǎng)格數(shù)為132.5萬(wàn)個(gè)。

1.4 物性參數(shù)

本研究工質(zhì)60%甘油的密度、比熱容、熱導(dǎo)率隨溫度的變化不大，故定為常數(shù)，而黏度（μ）隨溫度（T）變化程度比較大，為了修正物性對(duì)傳熱性能的影響，采用多項(xiàng)式[10]擬合60%甘油黏度隨溫度的變化，其黏度擬合公式如式（1）。

2 計(jì)算結(jié)果及對(duì)比分析

2.1 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模擬方法的準(zhǔn)確性，對(duì)現(xiàn)有螺旋兩葉片轉(zhuǎn)子進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。換熱管的有效換熱長(zhǎng)度為2 m，內(nèi)管尺寸為25 mm×0.5 mm，介質(zhì)為60%甘油，溫度在20 ℃左右，流量在1.8～4 m3/h范圍內(nèi)變化，變化幅度為(0.2±0.02) m3/h；外管尺寸為 57 mm×3.5 mm，介質(zhì)為熱水，溫度為(56±0.5) ℃，流量為(3.5±0.2) m3/h。

將螺旋兩葉片轉(zhuǎn)子的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行比較，如圖6所示。在所研究雷諾數(shù)范圍內(nèi)，努賽爾數(shù)（Nu）和阻力系數(shù)（f）的模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)相同，Nu的模擬值與實(shí)驗(yàn)值間最大偏差為3.38%；f的模擬值與實(shí)驗(yàn)值間最大偏差為37.55%。

由圖6可知，Nu和f的模擬結(jié)果的變化趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。其中，Nu的誤差較小，但f的誤差偏大，主要?dú)w因于：①數(shù)值模擬過(guò)程中，轉(zhuǎn)子在管內(nèi)以相同的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)，而實(shí)驗(yàn)中各轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速有一定的差別，沿管子軸向方向轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速依次降低；②模擬中所用的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速是通過(guò)計(jì)算所得，結(jié)果與實(shí)際的轉(zhuǎn)速會(huì)有一定偏差；③實(shí)驗(yàn)裝置管長(zhǎng)為2 m，而模擬時(shí)考慮到計(jì)算機(jī)計(jì)算能力和運(yùn)算時(shí)間，所用模型長(zhǎng)度僅為 210 mm，流體黏度對(duì)傳熱及阻力特性的影響程度與管長(zhǎng)有關(guān)；④建模時(shí)模型的入口段比實(shí)驗(yàn)中要短，數(shù)值模型入口處流體的湍動(dòng)程度較高；⑤模擬中假設(shè)入口段流體完全發(fā)展，而實(shí)驗(yàn)中入口段流體并非完全發(fā)展。

2.2 轉(zhuǎn)子的旋流特性分析

圖7為光管和內(nèi)置一個(gè)螺旋兩葉片轉(zhuǎn)子的換熱管的流線圖，可以看出，光管的流線平行于管壁，對(duì)管壁沒(méi)有沖刷作用，流體也沒(méi)有置換；內(nèi)置轉(zhuǎn)子的換熱管在加入轉(zhuǎn)子之后的一段距離內(nèi)流線呈螺旋形沖刷管壁，一段距離之后，流線和光管中一樣，平行于管壁。圖8為內(nèi)置一個(gè)螺旋兩葉片轉(zhuǎn)子的換熱管內(nèi)的Nu數(shù)沿軸向的變化情況。由圖8可見(jiàn)，Nu數(shù)沿z軸方向逐漸減小，在有轉(zhuǎn)子處，Nu數(shù)有顯著的提高；流體離開(kāi)轉(zhuǎn)子一段距離內(nèi)，繼續(xù)保持螺旋流動(dòng)，但螺旋程度逐漸衰減，此時(shí)Nu數(shù)也逐漸減??；在z軸方向約8倍管徑位置下游，旋流基本衰減結(jié)束，此時(shí)Nu數(shù)基本保持不變。

2.3 轉(zhuǎn)子間隔對(duì)強(qiáng)化管傳熱及阻力特性的影響

由之前的分析可知，每個(gè)潔能芯轉(zhuǎn)子對(duì)流體的擾流作用都有一個(gè)衰減的過(guò)程，這樣就沒(méi)有必要將轉(zhuǎn)子緊密的排列在一起，只要在轉(zhuǎn)子的衰減作用快結(jié)束的位置排列下一個(gè)轉(zhuǎn)子即可，這樣既能減少轉(zhuǎn)子帶來(lái)的阻力，有不會(huì)對(duì)傳熱性能造成太大影響。

本研究將每個(gè)轉(zhuǎn)子以間隔140 mm的方式排列起來(lái)，對(duì)這種排列方式進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，并將此結(jié)果與無(wú)間隔排列的轉(zhuǎn)子的傳熱及阻力特性進(jìn)行了對(duì)比。圖9為內(nèi)置有無(wú)間隔排列轉(zhuǎn)子的換熱管內(nèi)部Nu和f的對(duì)比圖。為了綜合比較管內(nèi)的阻力特性和傳熱特性，引入了綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)PEC，見(jiàn)式（2）[11-13]。

其中，Nu和f分別為內(nèi)置轉(zhuǎn)子換熱管的努賽爾數(shù)和阻力系數(shù)；Nu0和f0分別為光管中的努賽爾數(shù)和阻力系數(shù)。圖10為內(nèi)置有無(wú)間隔排列轉(zhuǎn)子的換熱管PEC值的對(duì)比圖。

由圖 9(a)可以看出，轉(zhuǎn)子無(wú)間隔排列，換熱管的Nu數(shù)是轉(zhuǎn)子間隔排列時(shí)的1.073～1.078倍，略大于轉(zhuǎn)子間隔的排列方式；由圖9(b)可以看出，內(nèi)置無(wú)間隔排列轉(zhuǎn)子的換熱管的f明顯高于內(nèi)置有間隔排列轉(zhuǎn)子的換熱管的f，高出61.76%～62.01%。因?yàn)橄嗤L(zhǎng)度的換熱管，若轉(zhuǎn)子間隔排列，則需要插入的轉(zhuǎn)子數(shù)量便會(huì)減少，轉(zhuǎn)子引起的擾流程度自然有所降低，但是由轉(zhuǎn)子帶來(lái)的阻力也會(huì)減少。由圖10可知，無(wú)論轉(zhuǎn)子有無(wú)間隔排列，換熱管的PEC值都大于 1，說(shuō)明插入轉(zhuǎn)子后換熱管的性能較光管得到加強(qiáng)。內(nèi)置有間隔排列轉(zhuǎn)子的換熱管的PEC值明顯高于內(nèi)置無(wú)間隔排列轉(zhuǎn)子的換熱管，前者是后者的1.099～1.106倍，即轉(zhuǎn)子有間隔的排列方式更有利于強(qiáng)化傳熱。

2.4 數(shù)值模型典型截面分析

為了對(duì)比轉(zhuǎn)子的這兩種排列方式在管內(nèi)強(qiáng)化傳熱程度的區(qū)別，在同一管程入口流量1.8 m3/h下，分別截取管內(nèi)內(nèi)置這兩種排列方式轉(zhuǎn)子以及光管模型中z=?100截面的場(chǎng)協(xié)同角云圖和縱向渦量云圖，如圖11、圖12所示。

由圖11可見(jiàn)，管子中間部分流體的速度場(chǎng)與溫度場(chǎng)之間協(xié)同性較好。光管中，流體越接近管壁，場(chǎng)協(xié)同角越大，即速度場(chǎng)與溫度場(chǎng)之間協(xié)同性越差；但是若管內(nèi)插入轉(zhuǎn)子，由圖 11(a)和圖 11(b)可見(jiàn)，協(xié)同性較差的區(qū)域面積明顯減少，且近壁處的流體的速度場(chǎng)與溫度場(chǎng)的協(xié)同性能獲得不同程度的改善，說(shuō)明內(nèi)置間隔排列轉(zhuǎn)子的換熱管在z=?100截面處雖然沒(méi)有轉(zhuǎn)子，但是近壁處流體所受的上一轉(zhuǎn)子的影響并沒(méi)有完全消失；圖11(a)的近壁區(qū)的協(xié)同性較好的區(qū)域比圖11(b)小，說(shuō)明轉(zhuǎn)子對(duì)流體邊界層的干擾作用有衰減。

由圖12可見(jiàn)，內(nèi)置轉(zhuǎn)子的換熱管內(nèi)縱向渦由中心向邊緣逐漸減弱，而光管內(nèi)的縱向渦強(qiáng)度分布比較均勻，但是和內(nèi)置轉(zhuǎn)子的換熱管相比其縱向渦量較弱；內(nèi)置無(wú)間隔排列轉(zhuǎn)子的換熱管與內(nèi)置無(wú)間隔排列轉(zhuǎn)子的換熱管相比，在z=?100截面上的較強(qiáng)縱向渦量的區(qū)域面積前者較大。這些與之前的分析結(jié)果是相符的。

3 結(jié) 論

（1）換熱管內(nèi)流體為 60%甘油時(shí)，加入轉(zhuǎn)子后，流體置換作用明顯，并且對(duì)管壁有一定的沖刷作用，這樣可以大大減薄邊界層，強(qiáng)化流體傳熱。

（2）內(nèi)置轉(zhuǎn)子的換熱管內(nèi)流體在有轉(zhuǎn)子處呈螺旋流動(dòng)；流體離開(kāi)轉(zhuǎn)子一段距離內(nèi)，繼續(xù)保持螺旋流動(dòng)，但螺旋程度逐漸衰減；在一定距離后旋流基本衰減結(jié)束。

（3）長(zhǎng)度相同的換熱管，轉(zhuǎn)子無(wú)間隔排列，換熱管的Nu數(shù)是轉(zhuǎn)子間隔排列時(shí)的1.073～1.078倍；但是內(nèi)置無(wú)間隔緊密排列的轉(zhuǎn)子的換熱管的f則比內(nèi)置間隔排列的轉(zhuǎn)子的換熱管的f高出 61.76%～62.01%，內(nèi)置間隔排列的轉(zhuǎn)子的換熱管的PEC值高于內(nèi)置無(wú)間隔緊密排列的轉(zhuǎn)子的換熱管，可見(jiàn)，轉(zhuǎn)子的間隔排列方式更有利于提高換熱管的綜合傳熱性能。

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