劉思宇

摘 ? 要：通過FLUENT軟件對扭曲管進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得出其內(nèi)部流場因流通截面積不斷變化沿軸向呈周期性交錯變化，且不同區(qū)域流速大小與方向各不相同。壓降與溫度均以較強(qiáng)規(guī)律呈周期性逐漸減小趨勢，內(nèi)部流通截面積交替變化使得其壓力梯度變化顯著，管內(nèi)流動介質(zhì)產(chǎn)生二次旋流促使湍流程度增強(qiáng)。隨著流速的遞增，壓降與膜傳熱系數(shù)呈遞增趨勢，且流速越大彼此之間的差距就越明顯。為換熱設(shè)備的進(jìn)一步優(yōu)化提供新思路和新技術(shù)。

關(guān)鍵詞：扭曲管 ?傳熱模擬 ?數(shù)值分析

中圖分類號：TK124 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）02（c）-0115-03

Abstract： The numerical simulation analysis of twisted tube is carried out by FLUENT software， the results show that the internal flow field changes periodically and alternately along the axial direction due to the continuous change of the flow cross-sectional area， and flow velocity in different areas are different with the size and direction. Both pressure drop and temperature decrease periodically and gradually with a strong rule， the alternating change of internal flow cross-sectional area makes the pressure gradient change significantly， the secondary swirling flow generated by the flowing medium in the tube promotes the enhancement of turbulence level. As the flow rate increases， pressure drop and film heat transfer coefficient are increasing， and the larger the flow rate， the more obvious the difference between them. It provides new ideas and new technologies for further optimization of heat exchange equipment.

Key Words： Twisted tube; Heat transfer simulation; Numerical analysis

換熱設(shè)備是能源合理高效轉(zhuǎn)換的一種媒介[1]，不僅被作為應(yīng)用廣泛、節(jié)能低耗的主要冷換設(shè)備之一，而且被普遍地應(yīng)用于核電、石油、動力、冶金等帶動國民經(jīng)濟(jì)不斷進(jìn)步的各行各業(yè)中。換熱器的傳熱過程強(qiáng)化通常是在單位時間內(nèi)對熱交換有影響的要素進(jìn)行改進(jìn)以實(shí)現(xiàn)單位傳熱面積上換熱量的最大化進(jìn)而完成能源的高效利用。如果傳熱效率提升10%，那么設(shè)備的能量利用率將提高2%[2]。換熱器的強(qiáng)化傳熱主要是從管程的管型變化與殼程的支撐結(jié)構(gòu)這兩個方面來進(jìn)行改進(jìn)的。

1 ?FLUENT在換熱器模擬中的應(yīng)用

FLUENT作為CFD中的一種，是用來模擬與分析流體流動、傳熱和沖蝕等問題的軟件[3]，對換熱器進(jìn)行模擬時主要涉及的部分有物理模型、有限元模型、邊界條件、湍流模型、控制方程和相關(guān)參數(shù)及屬性等。利用GAMBIT軟件來完成物理模型、網(wǎng)格劃分及邊界條件的定義。再導(dǎo)入FLUENT進(jìn)行流體的性能分析，由于處于湍流中的流體具有強(qiáng)烈的擾流程度，使換熱變得更加的充分，因此對換熱器進(jìn)行模擬時采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型[4]。

2 ?扭曲管結(jié)構(gòu)簡介

扭曲管是光管通過打扁和旋轉(zhuǎn)形成的具有橢圓截面和螺旋形態(tài)的換熱管，不僅可以促使換熱壁面處的介質(zhì)擾流程度增強(qiáng)而且還擴(kuò)大了熱交換面積。其管束結(jié)構(gòu)是依靠自身相互支撐及沿殼體縱向螺旋線點(diǎn)接觸來形成的，管內(nèi)介質(zhì)的流動狀態(tài)呈螺旋狀且產(chǎn)生二次旋流，使管內(nèi)湍流程度加強(qiáng)且提高換熱效率。而殼程是由多股螺旋流繞管外壁沿殼體軸向做周期性的流動，增強(qiáng)了擾流程度，使殼程流阻減小、綜合性能提高。

3 ?模型預(yù)處理

模型的預(yù)處理包括網(wǎng)格劃分、邊界條件設(shè)定及確定求解方法這三部分。首先通過三維建模軟件PROE生成實(shí)體模型，再將實(shí)體模型另存為IGES文件后導(dǎo)入Gambit中進(jìn)行網(wǎng)格的劃分和邊界條件的設(shè)定。網(wǎng)格質(zhì)量的優(yōu)劣是模擬計(jì)算的關(guān)鍵部分，故本次均采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格中的Tet/Hybrid網(wǎng)格單元進(jìn)行劃分，網(wǎng)格尺寸取1mm，扭曲管局部劃分網(wǎng)格如圖1所示。

通過實(shí)際工況對模擬邊界條件進(jìn)行設(shè)定，入口與出口設(shè)置分別為速度入口與壓力出口，壁面設(shè)置為不可滲透的無滑移邊界。入口溫度為58℃，入口速度以流速0.1m/s為基準(zhǔn)逐步遞增，直至1.0m/s為止。管內(nèi)介質(zhì)為水，壁面溫度為恒壁溫18℃。本文模擬計(jì)算均選用SIMPLE算法進(jìn)行離散計(jì)算，其相應(yīng)的參數(shù)選擇為默認(rèn)值。湍流模型選擇為標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、湍流強(qiáng)度定義為4.7、水力半徑定義為0.2m。計(jì)算過程中所涉及的方程有動量方程、湍流方程、質(zhì)量方程和能量方程，其殘差精度不同[5]。計(jì)算結(jié)果是否收斂將通過設(shè)定的殘差曲線來進(jìn)行判定，當(dāng)曲線達(dá)到平穩(wěn)且無較大波動時，計(jì)算可視為收斂[6]。

4 ?模型結(jié)果分析

通過FLUENT軟件的后處理功能，可將計(jì)算結(jié)果經(jīng)過可視化的云圖、矢量圖等顯示出內(nèi)部流體的流動狀態(tài)及變化規(guī)律。

圖2為扭曲管軸向速度矢量圖，從圖中可以看出，扭曲管壁面處的流速呈周期性交替變化，且不同區(qū)域的流速大小與方向各不相同。而扭曲管內(nèi)部流速因流通截面積的不斷變化，凸起處因流動空間較大致使流速降低，凹陷處因流通截面積變小致使流速明顯增加并不斷變化。以壁面為節(jié)點(diǎn)，可以使扭曲管內(nèi)外部流質(zhì)的湍流程度增強(qiáng)，提高換熱效率。圖3為扭曲管軸向壓力云圖，從圖中可看出流質(zhì)的流動方向是從左向右的，且壓力以較強(qiáng)的變化規(guī)律呈逐漸減小趨勢，因其自身的螺旋狀結(jié)構(gòu)可以使流質(zhì)的流動阻力減小，由于扭曲管內(nèi)部的流通截面積呈大小交替變化，故使得其壓力梯度變化顯著。

圖4為扭曲管軸向溫度云圖，從圖中可看出流質(zhì)的流動方向是從左向右的，溫度沿軸線方向是逐漸降低的且分布規(guī)律性較強(qiáng)，管內(nèi)介質(zhì)在流動時產(chǎn)生二次旋流，使管內(nèi)湍流程度加強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)高效換熱。

5 ?數(shù)據(jù)處理

對模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到扭曲管在不同流速下的壓力降與膜傳熱系數(shù)性能曲線圖。圖5為扭曲管壓降變化曲線圖，從圖中可以看出，隨著流速的遞增，壓降雖有一定的波動，但整體呈現(xiàn)遞增狀態(tài)。圖6為扭曲管膜傳熱系數(shù)變化曲線圖，從圖中可以得知，膜傳熱系數(shù)均隨著流速的增加而逐漸增大，呈現(xiàn)出直線遞增趨勢，且流速越大彼此之間的差距就越明顯，但膜傳熱系數(shù)的增大相應(yīng)的會帶來較大的壓力損失，而壓降的變化則是受到了流通面積的制約。

6 ?結(jié)語

通過FLUENT軟件對扭曲管管程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得出扭曲管內(nèi)部流質(zhì)從進(jìn)口到出口的壓力以較強(qiáng)規(guī)律呈逐漸減小趨勢變化，自身螺旋狀結(jié)構(gòu)使流質(zhì)的流動阻力減小，內(nèi)部流通截面積交替變化使得其壓力梯度變化顯著。由進(jìn)口至出口的溫度沿軸線方向是逐漸降低的且分布規(guī)律性較強(qiáng)，管內(nèi)流動介質(zhì)產(chǎn)生二次旋流，使管內(nèi)湍流程度加強(qiáng)。流速呈周期性交替變化且不同區(qū)域流速大小與方向各不相同，凸起處因流動空間較大致使流速降低，凹陷處因流通截面積變小致使流速明顯增加并不斷變化。以壁面為節(jié)點(diǎn)，可以使扭曲管內(nèi)外部流質(zhì)的湍流程度增強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)高效換熱。隨著流速的遞增，壓降與膜傳熱系數(shù)呈遞增趨勢，且流速越大彼此之間的差距就越明顯。本次模擬分析可以為換熱設(shè)備管程結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化提供新思路和新技術(shù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 王瑤.石油化工行業(yè)中換熱器的種類及用途原理[J].科技與企業(yè)，2014（16）：430.

[2] 陳文超，張鎖龍.人字形板式換熱器雙流道模型的溫度場數(shù)值模擬[J].化工機(jī)械，2010，37（4）：465-468.

[3] 劉榮，陶樂仁.FLUENT數(shù)值模擬在制冷與空調(diào)領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].低溫與超導(dǎo)，2010，38（10）：77-79.

[4] 王欣.水平軸風(fēng)力機(jī)氣動性能與結(jié)構(gòu)動力特性分析[D].蘭州理工大學(xué)，2012.

[5] Yokoi N，Hamba F.An application of the turbulent magnetohydrodynamic residual-energy equation model to the solar wind[J] .Physics of Plasmas，2007，14（11）：355-359.

[6] 朱紅鈞，林元華，謝龍漢.FLUENT12.0流體分析及工程仿真[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011.