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        螺旋套管式換熱器內(nèi)流體流動(dòng)及強(qiáng)化傳熱分析

        2020-10-15 05:17:48欒坤鵬
        日用電器 2020年9期
        關(guān)鍵詞:模型

        欒坤鵬

        (珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070)

        引言

        螺旋套管式換熱器廣泛應(yīng)用于動(dòng)力、能源、化工、制冷、核能、石油等工業(yè)中[1-4],殼程流體旋轉(zhuǎn)流動(dòng)自生的離心力與科氏力產(chǎn)生二次流的高效換熱性能倍受關(guān)注。管道是能量轉(zhuǎn)換和利用的橋梁,管道中不僅實(shí)現(xiàn)流體的輸運(yùn)和相變,也是傳熱傳質(zhì)的載體。目前有關(guān)光滑環(huán)形流道[5,6]和帶有螺旋凹槽流道的已有較多研究,但是對(duì)內(nèi)管螺紋纏繞圈數(shù)、內(nèi)管螺紋槽深對(duì)流體流動(dòng)和傳熱特性的影響的文章并未查到,因此該研究具有重要的意義。

        1 物理模型及數(shù)學(xué)模型

        1.1 物理模型

        圖1 螺紋凹槽圓環(huán)的螺旋流道模型

        物理模型如圖1所示,為截面加有螺紋凹槽的不規(guī)則截面為圓環(huán)的螺旋流道模型。主要的幾何尺寸包括截面為圓環(huán)螺旋管的外圓半徑(r1)和內(nèi)圓半徑(r2),螺旋半徑(Rc)和螺距(H),內(nèi)管螺紋纏繞的圈數(shù)(a)和內(nèi)管螺紋的槽深(b)。螺旋管的曲率定義為螺旋半徑的導(dǎo)數(shù)(1/Rc)。

        表1 強(qiáng)化管模擬模型參數(shù)

        建立研究對(duì)象的殼程流道并分別命名為M1、M2、M3、M4、M5、M6其參數(shù)見表 1。

        1.2 數(shù)學(xué)模型

        對(duì)于湍流流動(dòng)的數(shù)值模擬,采用k-ε模型,壓力和速度的解耦采用SIMPLE算法,為了提高計(jì)算精度,動(dòng)量和能量方程的離散均采用二階迎風(fēng)格式,收斂條件為動(dòng)量方程殘差小于1.0×10-6。

        由于研究對(duì)象在Re= 8 000~16 000為完全湍流狀態(tài),且從Realizable k-ε模型的特點(diǎn)來(lái)看,由于考慮了旋轉(zhuǎn)的影響,比較適合于解決有旋流存在的問題,因此對(duì)于模擬對(duì)象選用此模型。耦合求解方法、離散格式及動(dòng)量方程殘差設(shè)置與湍流相同。

        湍動(dòng)能方程:

        耗散率輸送方程

        式中:

        Gκ—平均速度梯度引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生;

        Gb—浮力影響引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生;

        YM—可壓縮湍流脈動(dòng)膨脹對(duì)總的耗散率的影響;

        C1ε、C2ε、C3ε、C2、A0—經(jīng)驗(yàn)常數(shù);

        Fluent中默認(rèn)值為C1ε=1.44、C2ε=1.9、C3ε=0.09、C2=1.9、A0=4.0;

        σκ、σε—分別為湍動(dòng)能和湍動(dòng)耗散率對(duì)應(yīng)的普朗特?cái)?shù);

        Fluent中默認(rèn)值為σκ=1.0、σε=1.2。

        2 邊界條件及流體物性參數(shù)

        2.1 邊界條件

        殼程入口邊界條件設(shè)置為速度入口,入口速度由雷諾數(shù)決定Re=8 000~16 000,流體入口溫度為300 K;出口邊界條件為壓力出口,為了使研究方便,出口壓力都設(shè)為0 Pa;本模型的壁面分為光滑的外壁和加有螺紋的內(nèi)壁,內(nèi)壁邊界條件采用恒壁溫的方式對(duì)殼程流體進(jìn)行加熱,溫度設(shè)置為350 K,外壁設(shè)置為絕熱邊界條件,熱流密度為零,壁面均采用無(wú)滑移壁面條件;湍流條件選擇湍流強(qiáng)度和水利直徑,其它均采用默認(rèn)設(shè)置。

        2.2 流體物性參數(shù)

        在現(xiàn)實(shí)工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中,換熱器內(nèi)流體介質(zhì)大多數(shù)為水,因此本文在研究時(shí),以水作為流體介質(zhì)很具有代表性。查水的物性參數(shù)表得到水的參數(shù)見表2。

        3 結(jié)果與分析

        3.1 不同螺旋螺紋圈數(shù)螺旋通道內(nèi)流動(dòng)熱力性能分析比較

        在入口處流體流動(dòng)雷諾數(shù)為16 000時(shí),研究截面為圓環(huán)的螺旋通道的模型和內(nèi)管加有不同螺紋圈數(shù)的螺旋通道模型在角度為180 °處截面上努塞爾特?cái)?shù)和表面摩擦系數(shù)的變化情況,從而來(lái)分析螺旋流道本身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)流體流動(dòng)和傳熱特性的影響。

        表2 水的物理性參數(shù)

        圖2 模型M1、M2和M3在距離入口180 °截面處速度場(chǎng)矢量圖和溫度圖

        3.1.1 溫度場(chǎng)及速度場(chǎng)分布

        結(jié)合圖2我們可以看出,三個(gè)模型螺旋流道內(nèi)流體流動(dòng)的速度的最大值與內(nèi)管螺紋纏繞圈數(shù)成正比。從速度流線的分布來(lái)看,在同一截面處,內(nèi)管螺紋為七圈的模型M3螺旋流道內(nèi)流體的速度變化最大。對(duì)于溫度分布,與模型M1相比,相同截面下模型M3向外側(cè)的溫度分布更加明顯,由此可以得到螺紋纏繞圈數(shù)越多對(duì)擾動(dòng)效果更加明顯,速度變化更加明顯,更加有利于換熱。

        3.1.2 雷諾數(shù)對(duì)傳熱和流動(dòng)性能的影響

        圖3 距入口180 °截面處Nu數(shù)變化

        圖3和4展現(xiàn)了在內(nèi)管上加有3、5和7圈相同槽深螺紋的三個(gè)模型在同一截面處(θ=180°),努賽爾數(shù)Nu及表面摩擦系數(shù)受雷諾數(shù)變化的影響。

        圖4 距入口180 °截面處變化

        圖5 模型M2、M4和M5在距離入口180 °截面處速度場(chǎng)矢量圖和溫度圖

        分析發(fā)現(xiàn),隨著雷諾數(shù)的增加,三個(gè)模型在同一截面處(θ=180 °)的努賽爾數(shù)也都在增加,且增加的趨勢(shì)是按照一次方程規(guī)律。從圖上可以看到隨著螺紋纏繞圈數(shù)的增加,模型在同一截面處(θ=180 °)的努賽爾數(shù)增加的趨勢(shì)也更加顯著。相反的,隨著雷諾數(shù)的增加,三個(gè)模型在同一截面處(θ=180 °)的摩擦系數(shù)都在減小,而且螺紋纏繞圈數(shù)越多的模型在同一截面處的摩擦系數(shù)越大。原因通過上面的分析,我們可以得到內(nèi)管螺紋圈數(shù)越多的模型換熱性能越好,但是我們不得不考慮摩擦系數(shù)對(duì)整體性能的影響。

        3.2 不同螺紋槽深螺旋通道內(nèi)流動(dòng)熱力性能分析比較

        在入口處流體流動(dòng)雷諾數(shù)為16 000時(shí),研究不同螺紋槽深模型螺旋通道在角度為180 °處截面上努塞爾特?cái)?shù)和表面摩擦系數(shù)的變化情況,從而來(lái)分析螺旋流道本身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)流體流動(dòng)和傳熱特性的影響。

        3.2.1 溫度場(chǎng)及速度場(chǎng)分布

        結(jié)合圖5我們可以看出,相同截面下模型M5向外側(cè)的溫度分布更加明顯,這和速度差異分布的原因相同。通過以上分析,可以得到螺紋槽深越大對(duì)擾動(dòng)效果更加明顯,速度變化更加明顯,更加有利于換熱。

        3.2.2 雷諾數(shù)對(duì)傳熱和流動(dòng)性能的影響

        圖6和7展現(xiàn)了在內(nèi)管上加有不同槽深螺紋的三個(gè)模型在同一截面處(θ=180°),努賽爾數(shù)Nu及表面摩擦系數(shù)受雷諾數(shù)變化的影響。

        由圖可知,隨著雷諾數(shù)的增加,三個(gè)模型在同一截面處的努賽爾數(shù)數(shù)在按著一次函數(shù)的規(guī)律逐漸增大,而表面摩擦系數(shù)在逐漸減小。從整體來(lái)看,模型M5在同一截面同一雷諾數(shù)下的努賽爾數(shù)最大,模型M2與之很接近,模型M4最小,另外,隨著雷諾數(shù)的增加模型M2和模型M5比模型M4的努賽爾數(shù)增加的更快,這一點(diǎn)可以從直線的斜率看出。這是因?yàn)椋S著雷諾數(shù)的增大,流體通道內(nèi)的擾流效果更加明顯,從而加強(qiáng)了換熱。而在同一截面處,相同雷諾數(shù)下,三個(gè)模型的表面摩擦系數(shù)的大小關(guān)系正好與努賽爾數(shù)的大小相同,表面摩擦系數(shù)更大,理由在前面已經(jīng)敘述過,這里不再贅述。

        圖6 距入口180 °截面處Nu數(shù)變化

        圖7 距入口180 °截面處變化

        4 結(jié)論

        1)通過研究不同螺紋纏繞圈數(shù)的螺旋流道內(nèi)流體流動(dòng)和傳熱特性,得到在同一雷諾數(shù)下,努賽爾數(shù)及表面摩擦系數(shù)的大小與內(nèi)管螺紋纏繞圈數(shù)的多少成正比。

        2)螺旋流道內(nèi)管螺紋不同槽深和螺紋纏繞圈數(shù)對(duì)流體流動(dòng)和傳熱也有影響,在相同的雷諾數(shù)下,螺紋槽較深及較多螺紋圈數(shù)的螺旋流道對(duì)流體擾動(dòng)更加明顯,使得換熱效果更好,而且相比之下,表面摩擦系數(shù)也越大。

        綜上可知,隨著流道內(nèi)螺紋圈數(shù)及槽深的增加,可以大大提升換熱設(shè)備的效率,但是同時(shí)要考慮摩擦系數(shù)的增大,在產(chǎn)品的開發(fā)過程中需要綜合考慮兩者的影響。

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