龔 斌， 劉海良， 王 巍， 周圓圓， 張 靜

(沈陽化工大學(xué) 遼寧省高效化工混合技術(shù)重點實驗室， 遼寧 沈陽 110142)

旋流型靜態(tài)混合器強化傳熱性能的研究使Kenics[1-4]、FSK[5-6]、Hi等多種型式靜態(tài)混合的工程應(yīng)用不斷擴大.在應(yīng)用過程中，混合元件的結(jié)構(gòu)特征導(dǎo)致其僅能置入圓截面直管段.而多孔板因其結(jié)構(gòu)形式簡單，易于加工和安裝在非圓截面管件和曲線管道內(nèi)，能夠達(dá)到強化換熱的目的.以180°彎管為例，孔板直徑小于管道內(nèi)徑，相鄰孔板間用與彎管軸線平行的定距桿連接，置入彎管后焊接固定.在管路中置入多孔結(jié)構(gòu)有一定應(yīng)用，對開孔扭帶強化傳熱性能的研究[7-8]表明，開孔是提高傳熱系數(shù)、降低阻力的有效手段.

化工過程中多孔板作為節(jié)流元件，在促進(jìn)流體空化、流量測量等方面有一定應(yīng)用和研究[9]，在這些應(yīng)用中，孔的軸線與板的表面垂直.然而，在靜態(tài)混合強化傳熱過程中，應(yīng)盡量避免產(chǎn)生相變，降低空化對管路的腐蝕破壞作用.鑒于此種情況，傾斜孔的設(shè)計以及多個孔組合形成的旋流提高了流體的二次流動，有效解決了管路中空化、短路、死區(qū)等常見問題[10-11].同時，依據(jù)場協(xié)同理論，二次流能夠有效提高對流強化傳熱系數(shù).

本文應(yīng)用Fluent 6.3軟件，研究管道內(nèi)徑一定情況下，多孔板的多個參數(shù)對強化傳熱性能的影響，利用綜合強化傳熱因子評價多個參數(shù)對傳熱的影響程度，預(yù)測出最佳結(jié)構(gòu)形式.本文對多孔板旋流靜態(tài)混合器強化傳熱研究為該類型靜態(tài)混合器的工程應(yīng)用提供設(shè)計依據(jù)和參數(shù)優(yōu)化策略.

1 物理模型及結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.1 靜態(tài)混合器物理模型

多孔板旋流靜態(tài)混合器結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 多孔板旋流靜態(tài)混合器

管內(nèi)徑D=68 mm，布置11塊多孔板；相鄰板間距H=102 mm；入口和出口的直管段L=170 mm.

1.2 多孔板結(jié)構(gòu)參數(shù)

多孔板結(jié)構(gòu)如圖2所示，設(shè)置每塊多孔板上孔的個數(shù)N=4.

圖2 多孔板結(jié)構(gòu)參數(shù)

長徑比為板間距H與板直徑D的比值.

Ar=H/D.

(1)

開孔率為每塊孔板上開孔面積之和Nπd2與孔板總面積πD2的比值.

φ=Nd2/D2.

(2)

孔間角β為每組孔中單孔的軸線在多孔板上投影與同組中相鄰兩個孔連線的夾角.

單孔傾斜角γ為孔軸線與多孔板表面法向線夾角.

多孔板結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示.

表1 多孔板結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置

2 數(shù)值模擬

2.1 網(wǎng)格劃分

分別采用網(wǎng)格邊長為4.0、3.0、2.0、1.5和1.0 mm五種方案對圖1所示靜態(tài)混合器內(nèi)流體作四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分.對Ar=1.625，φ=0.2，γ=0°的多孔板結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格獨立性實驗，網(wǎng)格邊長為4.0、3.0、2.0和1.5 mm的阻力系數(shù)相對網(wǎng)格邊長為1.0 mm的偏差分別為15.6 %、11.8 %、8.4 %和3.6 %.綜合考慮計算結(jié)果的精度和計算時間，選擇邊長為1.5 mm的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分如圖3所示.本文研究的結(jié)構(gòu)參數(shù)范圍內(nèi)，網(wǎng)格數(shù)量在2 145 919～2 241 764之間.

Ar=1.625 φ=0.2 β=45° γ=9°

2.2 邊界條件及湍流模型的選擇

以水為介質(zhì)，入口邊界條件：速度平均分布(Re=4 000～11 000)，湍流強度5 %，入口流體溫度Tin=285.15 K.壓力出口.壁面為恒壁溫?zé)o滑移邊界條件，材料為不銹鋼，壁厚4 mm，壁面溫度Tw=337.15 K.計算傳熱系數(shù)Nu和阻力系數(shù)f時，工質(zhì)的定性溫度Tf確定為

Tf=(Tin+Tout)/2.

(3)

其中Tout為流體出口平均溫度.

參照旋流靜態(tài)混合器數(shù)值模擬選用模型[3，11]，數(shù)值模擬計算選擇Realizablek-ε模型.該模型適用于旋轉(zhuǎn)均勻剪切流、噴射和混合流，尤其是可以解決圓柱射流問題.流動方程和能量方程之間不存在相互影響，故選擇非耦合求解器進(jìn)行求解.壓力和速度的耦合采用SIMPLEC算法，壓力離散采用 Standard形式，動量、湍動能、湍動耗散率及能量的離散均采用second order upwind格式.設(shè)定連續(xù)性方程收斂極限為10-5，其他方程收斂極限均小于10-5.

3 多孔板結(jié)構(gòu)參數(shù)對傳熱性能的影響

3.1 長徑比Ar

圖4為入口雷諾數(shù)Re=4 000～11 000范圍內(nèi)長徑比參數(shù)Ar對傳熱系數(shù)Nu和阻力系數(shù)f的影響.由圖4可以看出：對不同長徑比Ar結(jié)構(gòu)，隨著雷諾數(shù)Re提高，傳熱系數(shù)Nu提高而阻力系數(shù)f下降；隨著長徑比Ar提高，傳熱系數(shù)Nu提高，阻力系數(shù)f下降.其中：長徑比Ar=2.625條件下的傳熱系數(shù)Nu比Ar=1.375的高出37.72 %，而阻力系數(shù)f下降34.96 %.上述結(jié)果說明在Re=4 000～11 000范圍內(nèi)，增加相鄰多孔板間的距離，在阻力降低的同時，多個孔形成的二次流使強化傳熱得以提高.而縮短板間距，受下一塊板的影響二次流沒有充分發(fā)揮強化傳熱作用.

φ=0.2 β=45° γ=9°

3.2 開孔率φ

圖5為入口雷諾數(shù)Re=4 000～11 000范圍內(nèi)，開孔率參數(shù)φ對傳熱系數(shù)Nu和阻力系數(shù)f的影響.

Ar=1.625 β=45° γ=9°

由圖5可以看出：對不同開孔率結(jié)構(gòu)，隨著雷諾數(shù)Re提高，傳熱系數(shù)Nu提高而阻力系數(shù)f迅速下降；隨著開孔率φ提高，傳熱系數(shù)Nu和阻力系數(shù)f均下降.其中：開孔率φ=0.28條件下的傳熱系數(shù)Nu比φ=0.16的下降19.77 %，而阻力系數(shù)f下降了72.74 %.開孔率提高使流體在多孔板局域流通面積增加，通過孔的流體速度減小，多個傾斜孔誘導(dǎo)的二次流強度下降，導(dǎo)致傳熱系數(shù)降低.

3.3 孔間角 β

圖6為入口雷諾數(shù)Re=4 000～11 000范圍內(nèi)，孔間角參數(shù)β對傳熱系數(shù)Nu和阻力系數(shù)f的影響.

Ar=1.625 φ=0.2 γ=9°

由圖6可以看出：對不同孔間角結(jié)構(gòu)，隨著雷諾數(shù)Re提高，傳熱系數(shù)Nu提高而阻力系數(shù)f下降；隨著孔間角β增大，傳熱系數(shù)Nu小幅度上升，β=0°和β=90°的傳熱系數(shù)僅相差9.67 %；阻力系數(shù)f在孔間角β=45°時最小，與β=0°和90°相比，分別下降1.73 %和3.02 %.

孔間角是多孔板上的特征角，在β=45°時，每一個傾斜孔流體速度方向正好對準(zhǔn)相鄰孔，使流體切向速度增大，二次流強度提高；而β<45°時，多個孔流出的流體互相沖擊，增加了管道阻力；β>45°時，部分流體沖擊在管道內(nèi)壁面上，增加管道阻力的同時，近壁面?zhèn)鳠徇吔鐚訙p薄.因此，對于多孔板旋流靜態(tài)混合器的孔間角參數(shù)最佳取值應(yīng)為β=45°.

3.4 單孔傾斜角γ

圖7為入口雷諾數(shù)Re=4 000～11 000范圍內(nèi)，單孔傾斜角參數(shù)γ對傳熱系數(shù)Nu和阻力系數(shù)f的影響.

Ar=1.625 φ=0.2 β=45°

隨著單孔傾斜角γ增大，傳熱系數(shù)Nu基本不變，最大相差0.45 %；但隨著單孔傾斜角的增大，阻力系數(shù)f呈現(xiàn)提高趨勢，γ=18°較γ=0°阻力系數(shù)提高了5.76 %.γ≤6°條件下的阻力系數(shù)變化很小.

由于單孔傾斜角變化并沒有改變多孔板的流通面積，盡管流體的切向速度受單孔傾斜角的影響，但徑向沖擊壁面的速度變化很小，傳熱系數(shù)變化很??；當(dāng)γ>6°時，隨著傾角的增大，單孔中流體出口到壁面的距離縮小，沖擊壁面使傳熱系數(shù)和阻力提高，而且傾斜孔的加工難度增大.因此，對于多孔板旋流靜態(tài)混合器的單孔傾斜角參數(shù)最佳取值應(yīng)為γ=6°.

3.5 綜合強化傳熱分析

取Re=7 000為研究對象，計算強化傳熱比為

η=(Nu/Nu0)3/(f/f0).

(4)

其中：Nu0、f0取Ar=1.625，φ=0.2，β=45°，γ=0°條件下的傳熱系數(shù)和阻力系數(shù).

由圖8可以看出：長徑比Ar對強化傳熱比的影響最大，Ar=2.625的強化傳熱比η=1.68；隨著開孔率φ減小，傳熱系數(shù)提高的同時，阻力系數(shù)迅速增加，為此，調(diào)節(jié)開孔率對降低阻力更為顯著，但通過開孔率參數(shù)提高強化傳熱效果不明顯.

圖8 強化傳熱分析

對于孔的角度參數(shù)，當(dāng)孔間角β=45°時，傳熱系數(shù)Nu較大，強化傳熱效果明顯最優(yōu).阻力系數(shù)在β=45°時最小，強化傳熱比η最大，即孔間角的優(yōu)化參數(shù)為β=45°；單孔傾斜角γ越大，阻力系數(shù)越大，而傳熱系數(shù)基本不變，強化傳熱效果不明顯.

4 結(jié) 論

運用數(shù)值模擬研究了多孔板旋流靜態(tài)混合器4個結(jié)構(gòu)參數(shù)(長徑比Ar、開孔率φ、孔間角β和單孔傾斜角γ)對傳熱和阻力性能的影響，并對多參數(shù)的強化傳熱結(jié)果進(jìn)行了分析，具體結(jié)論如下：

(1) 在Re=4 000～11 000范圍內(nèi)，隨著雷諾數(shù)Re提高，傳熱系數(shù)Nu提高，阻力系數(shù)f下降.

(2) 多孔板的結(jié)構(gòu)參數(shù)對傳熱系數(shù)Nu的影響依次為Ar最大，其次是φ和β，γ影響最小.

(3) 多孔板的結(jié)構(gòu)參數(shù)對阻力系數(shù)f的影響依次為φ最大，其次是Ar和β，γ影響最小.孔間角β=45°時阻力最低；γ≤6°時阻力最低.