戰(zhàn)洪仁 曹 穎 侯新春 王立鵬 李雅俠

(沈陽化工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院)

換熱器是應(yīng)用非常廣泛的換熱設(shè)備，強(qiáng)化換熱器的換熱效果一直是國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)。研究表明，改變換熱管結(jié)構(gòu)可明顯增強(qiáng)換熱效果[1]。波紋管良好的彈性使其具有較強(qiáng)的自除垢特性，因而被國內(nèi)外學(xué)者廣泛研究。國內(nèi)相繼有學(xué)者對波紋管結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，正弦波紋換熱管的綜合傳熱性明顯優(yōu)于其他結(jié)構(gòu)形式的波紋管[2,3]。但關(guān)于正弦波紋管局部結(jié)構(gòu)對其傳熱和流動(dòng)特性的影響的研究較少。Guo Z Y等從速度場和溫度場相互配合的角度分析，提出了對流換熱的場協(xié)同原理，它能夠清晰地顯示波紋管內(nèi)部每一點(diǎn)的換熱效果[4,5]，為改變波紋管結(jié)構(gòu)以強(qiáng)化換熱提供了理論指導(dǎo)。筆者運(yùn)用Fluent軟件，采用模平均角[6]計(jì)算公式來計(jì)算場協(xié)同角，并以此作為波紋管強(qiáng)化傳熱場協(xié)同性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，分析不同結(jié)構(gòu)波紋管及其局部的換熱機(jī)理，研究換熱管結(jié)構(gòu)對流動(dòng)和換熱性能的影響。

1 計(jì)算模型和數(shù)值條件

波紋管管內(nèi)傳熱與流動(dòng)過程受物理守恒定律的支配，即必須遵循質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的控制方程是對這些守恒定律的數(shù)學(xué)描述，控制方程的通用形式為[7]：

筆者選取的正弦波紋管模型如圖1所示，當(dāng)量直徑d均取19mm，具體結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

圖1 正弦型波紋管模型

mm

流體在波紋管內(nèi)周期性流動(dòng)，為了使波紋管充分發(fā)展，對管道進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。選擇基于壓力的隱式穩(wěn)態(tài)求解器，采用非結(jié)構(gòu)化的六面體網(wǎng)格。能量與動(dòng)量方程的離散格式采用Quick格式，壓力與速度耦合方式采用Simplec算法，收斂條件為連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程的計(jì)算殘差均小于10-6。以水為工質(zhì)，入口速度分別取0.3、0.5、0.8、1.0、1.2、1.5m/s。采用質(zhì)量流量入口(mass- flow- inlet)，壓力出口(pressure- outlet)。進(jìn)口溫度300K，管壁溫度為恒定值350K。無速度滑移壁面邊界條件。不考慮壁面厚度，忽略重力的影響。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1結(jié)構(gòu)參數(shù)對波紋管內(nèi)換熱性能的影響

圖2為不同換熱管(5種結(jié)構(gòu)波紋管和相同當(dāng)量直徑的圓管)的平均Nu數(shù)與Re數(shù)的關(guān)系曲線，從圖2可以看出：在研究范圍內(nèi)，Re數(shù)相同時(shí)，波紋管的Nu數(shù)明顯高于圓管的；波紋管幅值相同時(shí)，其Nu數(shù)隨著周期的增大而增大；波紋管周期相同時(shí)，在低Re數(shù)下，幅值的變化對Nu數(shù)基本沒有影響，當(dāng)Re≥10000時(shí)，隨著Re數(shù)的增大，Nu數(shù)隨幅值的增大而增大。綜合研究結(jié)果可知，在研究范圍內(nèi)，增大波紋管的幅值與周期能夠增強(qiáng)波紋管的換熱效果，其中波紋管的周期變化對換熱效果的影響比較大。

圖2 不同換熱管的平均Nu數(shù)與Re數(shù)的關(guān)系曲線

2.2結(jié)構(gòu)參數(shù)對波紋管內(nèi)摩擦阻力的影響

通過數(shù)值模擬計(jì)算出各換熱管(5種結(jié)構(gòu)波紋管和相同當(dāng)量直徑的圓管)的摩擦阻力系數(shù)f隨Re數(shù)的變化(圖3)。從圖3可以看出：波紋管的摩擦摩擦阻力系數(shù)比相同當(dāng)量直徑的圓管的磨擦阻力系數(shù)高很多；幅值相同時(shí)，隨著波紋管周期S的增大，摩擦阻力系數(shù)逐漸增大；周期相同時(shí)，管內(nèi)摩擦阻力系數(shù)隨著幅值的增大而增大。但是從圖中可以看出，幅值對摩擦阻力系數(shù)的影響程度相對較大。

圖3 不同換熱管摩擦阻力系數(shù)f隨Re數(shù)的變化

2.3傳熱強(qiáng)化綜合因子

傳熱強(qiáng)化綜合因子η是衡量傳熱性能的一個(gè)通用綜合性指標(biāo)，其評(píng)價(jià)采用Webb提出的方法[8]：

式中f、f0——波紋管和圓管內(nèi)流體的流體阻力系數(shù);

Nu、Nu0——波紋管和內(nèi)流體的努塞爾數(shù)。

若以提高強(qiáng)化傳熱的綜合性能為目標(biāo)，則需考慮溫度梯度▽u之間的協(xié)同性，協(xié)同角越大，傳熱強(qiáng)化綜合因子η越高。

圖4為波紋管的傳熱強(qiáng)化綜合因子隨Re數(shù)的變化情況。從圖4可以看出：換熱管傳熱強(qiáng)化綜合因子均隨Re數(shù)的增加先減小后逐漸增大，周期與幅值的比S/a為8.17的3#管的傳熱綜合性能最好，S/a為7.17的1#管的傳熱綜合性能最差，這一結(jié)論為工程應(yīng)用選擇管型提供了依據(jù)。

圖4 換熱管的傳熱強(qiáng)化綜合因子η隨Re數(shù)的變化

2.4場協(xié)同理論分析換熱機(jī)理

圖5為平均場協(xié)同角隨Re數(shù)的變化情況，從圖5可以看出，波紋管的協(xié)同角明顯小于圓管的協(xié)同角，且3#管的平均協(xié)同角比1#管的平均協(xié)同角小很多，這說明波紋管的換熱性能優(yōu)于圓管的換熱性能，3#管的換熱效果優(yōu)于1#管的換熱效果。

圖5 平均場協(xié)同角隨Re數(shù)的變化

圖6為3種結(jié)構(gòu)的換熱管徑向截面上的場協(xié)同云圖，從圖6可見，波紋管壁面處的協(xié)同角比圓管的小，且3#管壁面處的協(xié)同角最小，因此3#管的結(jié)構(gòu)對傳熱效果的影響是顯著的。圖7為波紋管在同一流速下的溫度等值線和速度矢量分布，由圖7可以看出，波紋結(jié)構(gòu)使流體在波峰處出現(xiàn)了回流渦，流速分布發(fā)生了明顯的改變，溫度梯度的方向與流速矢量方向的夾角明顯變小，場協(xié)同性變好，這說明湍流增強(qiáng)，邊界層變薄，波峰處的換熱效果明顯。

圖6 3種換熱管徑向截面上的場協(xié)同云圖

圖7 波紋管在同一流速下的溫度等值線和速度矢量分布

圖8為波紋管內(nèi)流速為1.2m/s時(shí)不同截面的流線圖。從圖8a可以看出：波紋管內(nèi)波峰靠近壁面處，并在二次流的作用下形成旋渦，很大程度上強(qiáng)化了壁面的換熱特性；而波谷中間位置的流線趨于平穩(wěn)，換熱性能較差。從圖8b、c可以看出：雖然在波谷中心處形成小旋渦，但在壁面處流線趨于平穩(wěn)，換熱性能較差。綜上可知，要提高波紋管的換熱性能，應(yīng)從改善波谷的換熱特性著手。

3 結(jié)論

3.1波紋管周期變化對Nu數(shù)的影響較大，Nu數(shù)隨著周期的增大而增大；管內(nèi)摩擦阻力系數(shù)主要受幅值的影響，隨著幅值的增大而增大。

3.2換熱管傳熱強(qiáng)化綜合因子均隨Re數(shù)的增加先減小后逐漸增大，周期與幅值的比S/a為8.17的3#波紋管傳熱綜合性能最好，S/a為7.17的1#管傳熱綜合性能最差。

3.3從場協(xié)同角度分析了波紋管局部的換熱效果，發(fā)現(xiàn)波紋管波峰處的換熱效果很好，波谷處的換熱效果較差，因此強(qiáng)化波紋管換熱性能可從改善波谷的換熱性能著手。

[1] 方書起，祝春進(jìn)，吳勇，等. 強(qiáng)化傳熱技術(shù)與新型高效換熱器研究進(jìn)展[J]. 化工機(jī)械，2004，31(4)：249～253.

[2] Mahmud S, Sadrul Islam M,Feroz C. Flow and Heat Transfer Characteristics Inside a Wavy Tube[J].Heat and Mass Transfer, 2003, 39(5/6):387～393.

[3] 曾敏，王秋旺，屈治國，等. 波紋管內(nèi)強(qiáng)制對流換熱與阻力特性的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，36(3)：237～240.

[4] Guo Z Y, Li D Y, Wang B X. A Novel Concept for Convective Heat Transfer Enhancement[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 1998, 41(14):2221～2225.

[5] 李志信，過增元.對流傳熱優(yōu)化的場協(xié)同理論[M]. 北京：科學(xué)出版社，2010：55～68.

[6] 周俊杰，陶文銓，王定標(biāo).場協(xié)同原理評(píng)價(jià)指標(biāo)的定性分析和定量探討[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2006，27(2)：45～47.

[7] 陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué)[M]. 西安：西安交通大學(xué)出版社，2001：1～26.

[8] Webb R L, Eckert E R G. Application of Rough Surfaces to Heat Exchanger Design[J].International Journal of Heat Transfer ,1972,15(9):1647～1658.