張傲宇 丁桂彬 王宗勇

摘 ? ? ?要：為探究中空扭旋元件數(shù)目對(duì)換熱管傳熱特性的影響規(guī)律，采用數(shù)值模擬方法對(duì)Re=200～1 800范圍內(nèi)恒壁溫條件下的管內(nèi)傳熱進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明：雙中空扭旋元件換熱管的Nu明顯高于單中空扭旋元件換熱管，但隨著扭旋元件數(shù)目的繼續(xù)增加，Nu變化并不明顯;當(dāng)中空扭旋元件數(shù)目增多時(shí)，換熱管的f也隨之增大;雙中空扭旋元件換熱管的PEC值明顯好于其他換熱管，所有中空扭旋元件換熱管的PEC值均大于1。

關(guān) ?鍵 ?詞：中空扭旋元件;傳熱性能評(píng)價(jià)因子;數(shù)值模擬;層流

中圖分類號(hào)：TQ053.6 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? 文章編號(hào)： 1671-0460（2020）08-1635-04

Abstract： In order to investigate the influence of the number of hollow twisted elements on the heat transfer characteristics of heat transfer tubes， the numerical simulation method was used to analyze the heat transfer in the tube under constant wall temperature in the range of Re=200～1 800. The results showed that the Nu of the double hollow torsion element heat exchange tube was significantly higher than that of the single hollow twisted element heat exchange tube， but as the number of twisted elements continued to increase， the Nu change was not obvious; When the number of hollow twisted elements increased， the f of the heat exchange tube also increased; the PEC value of the heat exchange tube with the double hollow twisted elements was obviously better than that of the other heat exchange tubes， and the PEC values of all the heat exchange tubes with the hollow twisted element were greater than 1.

Key words： Hollow twisted element; Heat transfer performance evaluation factor; Numerical simulation; Laminar

采用強(qiáng)化換熱技術(shù)提高換熱器效率是當(dāng)前換熱器研究領(lǐng)域的一項(xiàng)重大課題。劉偉等[1]提出了管內(nèi)對(duì)流傳熱強(qiáng)化技術(shù)分為基于表面的強(qiáng)化換熱技術(shù)和基于流體的強(qiáng)化換熱技術(shù)。其中基于流體的強(qiáng)化換熱技術(shù)是通過對(duì)流體核心區(qū)的擾動(dòng)，使流體核心區(qū)域溫度盡量均勻，在邊界處形成等效熱邊界層來實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化傳熱。在換熱管中插入扭旋元件是基于流體強(qiáng)化換熱技術(shù)的一種有效的手段[2-8]。管內(nèi)插入扭旋元件強(qiáng)化傳熱的主要機(jī)理是管內(nèi)流體產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)并引起二次流， 產(chǎn)生不斷的旋渦， 使主體流體和壁面邊界層流體充分混合， 減薄邊界層， 以強(qiáng)化傳熱。此外，扭旋元件還能分割和阻礙流動(dòng)、產(chǎn)生肋片效果以及擴(kuò)大流動(dòng)路徑， 這些效果也能達(dá)到強(qiáng)化傳熱目的。伴隨著傳熱的強(qiáng)化， 管內(nèi)插入扭旋元件也使流體的流動(dòng)阻力增大， 從而增大了能量損失。因此，解決換熱器的換熱強(qiáng)化與阻力增加的平衡問題就成為了首要目的。內(nèi)置扭帶的傳熱強(qiáng)化方法雖然能有效提高換熱器的傳熱效率但同時(shí)也增加了流動(dòng)阻力，使換熱器能耗增加。

張曉嶼等[9]對(duì)在圓管內(nèi)間隔布置多個(gè)扭旋單元時(shí)的傳熱和流動(dòng)性能進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，研究結(jié)果表明，在充分發(fā)展的層流狀態(tài)下，間隔扭旋單元可以造成圓管傳熱性能的強(qiáng)化，并且流動(dòng)阻力增長不大，從而提高了換熱管的熱-水力學(xué)綜合性能。吳劍華等[10]在所研究的雷諾數(shù)范圍內(nèi)得出結(jié)論，四葉片組合靜態(tài)混合器相比于普通SK型靜態(tài)混合器對(duì)湍流換熱強(qiáng)化作用更為顯著，傳熱效率提高約20%，有效地提高了傳熱效果。龔斌等[11]對(duì)一個(gè)截面上安有一至四個(gè)扭旋葉片的靜態(tài)混合器內(nèi)流場分別進(jìn)行模擬計(jì)算分析。結(jié)果表明，隨著葉片數(shù)目的增加，換熱管的阻力系數(shù)也隨之增加。S W Hang[12]等對(duì)管內(nèi)插入相同長徑比，相同厚度的單個(gè)扭帶、兩個(gè)扭帶、三個(gè)扭帶進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，并擬合出來含有單個(gè)扭帶、兩個(gè)扭帶、三個(gè)扭帶的換熱管的Nu關(guān)聯(lián)式。結(jié)果表明三種結(jié)果在層流的換熱效果優(yōu)于在湍流的情況下。在層流狀態(tài)下，單個(gè)扭帶、兩個(gè)扭帶、三個(gè)扭帶的Nu分別為光管的1.5～2.3、1.9～2.8、2.8～3.7倍。

張曉嶼等[13]對(duì)內(nèi)置中空扭帶換熱管的傳熱與流動(dòng)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明，當(dāng)相對(duì)扭旋元件寬度為管徑一半時(shí)，扭旋元件表面積縮小，能有效降低流體的阻力，并且能夠顯著提升換熱管的換熱綜合性能;Guo等[14]分別對(duì)內(nèi)置傳統(tǒng)扭帶熱管與中空扭帶熱管的傳熱性能進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明，與傳統(tǒng)扭帶相比，中空扭帶傳熱性能提高了7%～20%。Li等[15]通過數(shù)值模擬研究了一種新型窄邊中空扭帶的強(qiáng)化傳熱特性，與傳統(tǒng)扭帶相比，這種新型窄邊中空扭帶的最佳整體傳熱性能提高了28.1%。當(dāng)扭帶數(shù)為4時(shí)，雷諾數(shù)增加到600以上，換熱管的整體換熱性能最佳。

縱觀現(xiàn)有文獻(xiàn)可知，中空扭旋元件與傳統(tǒng)扭帶相比具有良好的綜合傳熱性能，得到了中空扭旋元件結(jié)構(gòu)包括元件寬度、扭率等對(duì)傳熱性能的影響規(guī)律，但關(guān)于中空扭旋元件數(shù)目變化對(duì)換熱管傳熱特性的影響卻鮮有報(bào)導(dǎo)，這種現(xiàn)狀阻礙了該種類型換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)及工業(yè)應(yīng)用。因此，本文的目的是掌握中空扭旋元件數(shù)目變化對(duì)管內(nèi)傳熱特性及流動(dòng)特性的影響規(guī)律，為中空扭旋元件的進(jìn)一步開發(fā)利用提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。

1 ?物理模型及數(shù)值模擬方法

1.1 ?物理模型

本文的研究對(duì)象為插入數(shù)目不同中空扭旋元件的換熱管。中空扭旋元件為中空扭旋元件是指在纏繞在空心軸上的扭旋元件。中空扭旋元件由四組相同的扭旋元件組成，各組扭旋元件沿?fù)Q熱管軸向首尾相接排布，并同心內(nèi)置于管內(nèi)。扭旋元件的對(duì)應(yīng)的軸截面內(nèi)分別包含著1～4個(gè)扭旋元件，其中2、3、4個(gè)扭旋元件相鄰軸向2組構(gòu)件分別錯(cuò)開180°、120°和90°。

研究對(duì)象的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：管道內(nèi)徑D=20 mm，管長L=200 mm，管道入口長度Li=40 mm，元件總長Le=120 mm，扭旋元件厚度δ=1 mm，扭旋元件外徑do=19 mm，內(nèi)徑di=11 mm。兩種排列方式的換熱管結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 ?數(shù)值模擬方法

本文選用的工質(zhì)為水，以往學(xué)者研究中空扭旋元件換熱管大多采用常溫狀態(tài)下的水為流體，但考慮實(shí)際工況，本文所采用的水的初始溫度為323 K，采用恒壁溫邊界條件（壁溫為363 K），雷諾數(shù)范圍Re（Re=ρuD/）=200～1800。元件與流體接觸的邊界采用無滑移邊界條件，忽略自然對(duì)流及溫度對(duì)介質(zhì)性質(zhì)的影響。采用Fluent 17.0進(jìn)行CFD模擬，選用三維穩(wěn)態(tài)模型，壓力場和速度場的耦合采用Simplec算法，動(dòng)量和能量方程都采用QUICK格式，連續(xù)性、動(dòng)量和能量方程收斂條件均設(shè)定在10-6以下。

1.3 ?網(wǎng)格劃分及無關(guān)性檢驗(yàn)

本文采用Solidworks建立幾何模型，利用hypermesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用四面體網(wǎng)格并在靠近壁面處進(jìn)行了網(wǎng)格加密。為了消除網(wǎng)格尺寸對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，本文對(duì)含有四中空扭旋元件結(jié)構(gòu)模型的換熱管在Re=200的情況下進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)。劃分了5種尺寸網(wǎng)格，得到了每種模型的平均努賽爾數(shù)與網(wǎng)格數(shù)關(guān)系曲線，如圖2所示。

由該圖可以看出：當(dāng)換熱管的網(wǎng)格數(shù)為147萬左右，網(wǎng)格尺寸對(duì)傳熱系數(shù)的影響即可忽略不計(jì)。

2 ?傳熱強(qiáng)化性能評(píng)價(jià)方法

利用綜合性能評(píng)價(jià)因子PEC值，考慮換熱系數(shù)或努賽爾數(shù)，以及流動(dòng)阻力，綜合評(píng)價(jià)換熱管的換熱特性為當(dāng)前一種有效的判別方法。

3 ?數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1 ?平均努塞爾數(shù)Nu

為了分析中空扭旋元件數(shù)目對(duì)傳熱性能的影響，本文計(jì)算了Re=200～1800范圍內(nèi)共計(jì)9個(gè)雷諾數(shù)下的中空扭旋元件換熱管以及光管努賽爾數(shù)Nu，Nu隨Re變化規(guī)律如圖所示。

由圖3可看出：管內(nèi)含有雙中空扭旋元件，三中空扭旋元件及四中空扭旋元件的Nu區(qū)別不大，高于單扭旋元件。四種數(shù)目不同的中空扭旋元件的Nu均高于光管，分別為光管的1.28～2.21倍、1.41～2.57倍、1.46～2.59倍、1.42～2.60倍。

相比于單中空扭旋元件，雙中空扭旋元件的Nu明顯要高。流體會(huì)受到扭旋板的切割和分流作用，而扭旋元件的增加強(qiáng)化了切割和分流效果，使流體更好地沿著徑向及切向流動(dòng)，加強(qiáng)了壁面區(qū)流體與中心區(qū)流體的摻混，管內(nèi)速度梯度較大，傳熱邊界層減薄，傳熱系數(shù)提高。

但這種現(xiàn)象隨著扭旋元件數(shù)目的增加，傳熱系數(shù)并沒有顯著的提升。扭旋元件數(shù)目的增加雖然可以使流體進(jìn)一步切割和分流，但當(dāng)扭旋元件數(shù)目過多時(shí)，扭旋元件切割和分流的效果并不明顯，甚至有可能阻礙流體流動(dòng)，故應(yīng)合理增加扭旋元件的數(shù)目。

3.2 ?阻力系數(shù)f

但是扭旋元件數(shù)目增多勢必會(huì)導(dǎo)致流動(dòng)阻力增大，由圖4可以看出：阻力系數(shù)f隨著數(shù)目的增多而增多，分別較光管增大了1.59～2.48倍、2.01～3.16倍、2.38～3.60倍及2.75～4.16倍。數(shù)目越多，阻力系數(shù)也越大，這是由于隨著數(shù)目的增多，增大了元件對(duì)流體的摩擦阻力，導(dǎo)致流體的流通面積變小。此外，數(shù)目的增多，導(dǎo)致了扭旋元件總面積的增加，也是流動(dòng)阻力增大的一個(gè)重要原因。

3.3 ?傳熱性能評(píng)價(jià)因子PEC值

傳熱性能評(píng)價(jià)因子PEC值能夠反應(yīng)傳熱與流體阻力的綜合影響，由圖5可以看出：所有中空扭旋元件換熱管的PEC值均高于1，證明管內(nèi)內(nèi)置中空扭旋元件可以很好的提升換熱管的綜合傳熱性能。雙中空扭旋元件的換熱管的PEC值明顯高于其他幾種中空扭旋元件的換熱管，PEC值=1.12～1.75。其次為三中空扭旋元件換熱管，PEC值=1.09～1.69，單中空扭旋元件換熱管與四中空扭旋元件換熱管差別不大，PEC值=1.10～1.63、1.01～1.61。這是由于，當(dāng)數(shù)目為2.3.4時(shí)的換熱管的Nu差別不大，根據(jù)PEC值公式，雙扭旋元件換熱管的流體摩擦阻力最小，故PEC值最大。單扭旋元件換熱管的阻力系數(shù)f小于四扭旋元件換熱管，但單扭旋元件換熱管的Nu小于四扭旋元件換熱管，兩者相互作用下，單扭旋元件和四扭旋元件的PEC值相差不大。故雙中空扭旋元件換熱管的綜合傳熱性能最好。

4 ?結(jié)論

本文對(duì)橫截面上數(shù)目不同的中空扭旋元件換熱管傳熱性能進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，并從傳熱系數(shù)，摩擦阻力系數(shù)及綜合傳熱性能評(píng)價(jià)因子對(duì)換熱管的傳熱性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。研究結(jié)論如下：

1）在Re=200～1 800的范圍內(nèi)，所有換熱管的Nu均隨著Re的增加而增加，且均高于光管。橫截面上扭旋元件數(shù)目為2、3、4的中空扭旋元件換熱管的Nu明顯高于單中空扭旋元件換熱管;但扭旋元件數(shù)目為2、3、4時(shí)，換熱管的Nu變化并不明顯。

2）在Re=200～1 800的范圍內(nèi)，所有中空扭旋元件換熱管的f均隨著Re的增加而減小，且均高于光管。并且扭旋元件數(shù)目越多，中空扭旋元件換熱管的f越大。分別較光管增大了1.59～2.48倍、2.01～3.16倍、2.3～3.60倍及2.75～4.16倍。

3）在Re=200～1 800的范圍內(nèi)，所有中空扭旋元件換熱管的PEC值均隨著Re的增加而增加，且均高于1。雙中空扭旋元件換熱管的PEC值最大，PEC值=1.12～1.75。

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