王小伍,余天強(qiáng),林立泰

(華南理工大學(xué)物理與光電學(xué)院,廣州 510640)

工業(yè)上一般利用在換熱管表面加工肋片來(lái)強(qiáng)化傳熱,此外,利用超聲波也可以獲得較高的強(qiáng)化傳熱效率,超聲波強(qiáng)化傳熱得到了國(guó)內(nèi)外研究者的關(guān)注。MONGKOLKITNGAM[1]的研究表明,超聲波的強(qiáng)化傳熱率最高可達(dá)82.4%以上。RAKPAKDEE[2]等研究了對(duì)圓柱形容器內(nèi)的水施加25 kHz的超聲波的條件下的傳熱情況,結(jié)果表明超聲波對(duì)傳熱的影響與超聲波傳播方向有關(guān)。THUNGTHONG[3]等研究了超聲波在層流流體中的傳播以及聲流與流體流速之間的關(guān)系,他們的研究結(jié)果表明聲輻射將有助于氣泡核化。TAM等[4]研究了不同雷諾數(shù)下超聲振動(dòng)對(duì)水平管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流換熱效率的影響。周定偉等[5]的結(jié)果表明,空化效應(yīng)可充分提高液體工質(zhì)的傳熱性能。ZHAO等人[6]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了液體汽泡成核以及振動(dòng)的規(guī)律。DEHBANI[7]等概述了近年來(lái)超聲波強(qiáng)化對(duì)流換熱的現(xiàn)狀。

若對(duì)加裝肋片的換熱管同時(shí)使用超聲波強(qiáng)化傳熱,肋片將影響聲波的傳播,沸騰傳熱時(shí),肋片形成的孔隙結(jié)構(gòu)更是氣泡核化場(chǎng)所,與聲場(chǎng)造成的空化泡密切相關(guān)。但是,從以上文獻(xiàn)來(lái)看,超聲強(qiáng)化傳熱的研究主要集中在超聲波方面,而對(duì)于肋片管與聲波的協(xié)同強(qiáng)化傳熱作用研究較少。本文通過(guò)COMSOL軟件模擬了超聲波在肋片管周圍的分布特點(diǎn),分析了肋片高度對(duì)聲場(chǎng)的影響。

1 物理模型

1.1 換熱管幾何形態(tài)

圖1(a) 給出了本文討論的肋片換熱管的幾何形狀。管外壁環(huán)狀分布有6條軸向肋片,每條肋片沿軸扭轉(zhuǎn)角度為60°,換熱管內(nèi)部為熱流體流動(dòng)空間,外部為冷流體流動(dòng)空間,冷、熱流體沿軸向相向流動(dòng)。冷流體外壁的一小區(qū)域內(nèi)放置正弦超聲波波源,法向振動(dòng)加速度為1×105sin2πft(SI),f為超聲波頻率,本文取43 000 Hz。冷流體流場(chǎng)中的A、B、C三點(diǎn)位于平行于軸線的同一平面內(nèi)且處于垂直軸線的同一直線上,與流體入口、出口距離相等,與聲波波源中心的直線距離分別為3.23 cm、3.35 cm、3.91 cm。

圖1 肋片換熱管幾何形狀以及網(wǎng)格劃分

1.2 網(wǎng)格劃分及模擬參數(shù)設(shè)置

利用COMSOL模擬時(shí),采用壓力聲學(xué)和共軛傳熱(層流)接口,構(gòu)建多物理場(chǎng)耦合。

流動(dòng)方程為:

(1)

?·(ρu)=0

(2)

式中:ρ為流體密度,kg/m3;u為流體運(yùn)動(dòng)速度,m/s;t為時(shí)間,s;P為流體壓強(qiáng),Pa;F為外力,N。

聲學(xué)控制方程為:

(3)

式中:c為流體中的波速,m/s。

如圖1(b)所示,網(wǎng)格采用自由正四面體,限制域和邊界層最大單元尺寸分別小于0.06 dm和0.03 dm,網(wǎng)格包含 685 877 個(gè)域單元、45 700個(gè)邊界單元和 4 647 個(gè)邊單元。當(dāng)限制域和邊界層最大單元尺寸分別小于0.05 dm和0.02 dm時(shí),溫度的模擬結(jié)果相對(duì)差別小于0.01%,因此可以認(rèn)為本文的網(wǎng)格質(zhì)量達(dá)到了要求。計(jì)算模式為瞬態(tài)。模擬時(shí)用到的參數(shù)如表1所示。

表1 肋片管尺寸以及聲場(chǎng)參數(shù)

2 模擬結(jié)果

2.1 溫度分布

圖2為采用無(wú)肋片光管傳熱時(shí),冷流體中A、B兩點(diǎn)的溫度隨時(shí)間的變化曲線。

圖2 光管周圍流體溫度變化

如圖2所示,在沒(méi)有肋片強(qiáng)化傳熱的情況下,截至t=120 s,A、B兩點(diǎn)的流體溫度幾乎沒(méi)有差別,相比冷流體入口溫度也僅有少許上升,且隨時(shí)間起伏,時(shí)間t=59.5 s時(shí),A、B兩點(diǎn)的溫度僅上升了0.1 K。

當(dāng)采用肋片高度為0.5 cm的肋片管傳熱時(shí),冷流體中A、B兩點(diǎn)的溫度隨時(shí)間的變化曲線如圖3所示。從圖3可見(jiàn), A、B兩點(diǎn)的流體溫度迅速上升,t=6.5 s后,位于肋片、管外壁圍成的三面封閉槽道空間內(nèi)的A點(diǎn)溫度達(dá)到了299.1 K, A點(diǎn)與換熱管內(nèi)熱流體傳熱達(dá)到穩(wěn)態(tài),溫度基本上保持穩(wěn)定。t=6.5 s時(shí),B點(diǎn)溫度達(dá)到295.0 K,由于B點(diǎn)位于槽道外部,易受遠(yuǎn)場(chǎng)流體以及來(lái)流流體影響,溫度隨時(shí)間在小的幅度范圍內(nèi)稍有起伏。

圖3 肋片管周圍流體溫度變化

對(duì)比圖2和圖3,可以明顯看出肋片的強(qiáng)化傳熱效果。肋片的強(qiáng)化傳熱機(jī)理在于不但增加了傳熱面積,而且由于肋片對(duì)來(lái)流的擾動(dòng),減小了邊界層厚度,根據(jù)文獻(xiàn)[6],在出現(xiàn)沸騰傳熱時(shí),肋片、管外壁之間的微小空間還能成為核化點(diǎn),促進(jìn)氣泡的成形。

2.2 流場(chǎng)內(nèi)聲場(chǎng)分布

圖4為光管周圍A、B兩點(diǎn)的聲場(chǎng)分布特點(diǎn)。從圖4中可以看出,A、B兩點(diǎn)的絕對(duì)聲壓均出現(xiàn)周期性的變化,雖然A、B兩點(diǎn)與波源的直線距離分別為3.23 cm、3.35 cm,但是出現(xiàn)第一個(gè)峰值的時(shí)間均略大于波沿直線傳到A、B點(diǎn)所需要的時(shí)間,且這種峰值時(shí)間滯后的現(xiàn)象隨時(shí)間增加愈加明顯,但不隨時(shí)間線性疊加,由于B點(diǎn)位于冷流體中部,B點(diǎn)第一個(gè)峰值滯后時(shí)間小于A點(diǎn),但是從第三個(gè)周期開(kāi)始,兩點(diǎn)峰值出現(xiàn)的時(shí)間相同,顯然這是由于流體流動(dòng)對(duì)聲波的影響。A、B兩點(diǎn)的絕對(duì)聲壓峰值隨聲波周期數(shù)增加而增加,第一個(gè)周期內(nèi)A點(diǎn)的峰值與B點(diǎn)的峰值幾乎相等,但第二、三個(gè)周期內(nèi)A點(diǎn)的峰值與B點(diǎn)的峰值差距逐漸變大,這表明聲場(chǎng)對(duì)溫度場(chǎng)的影響將隨場(chǎng)點(diǎn)與波源的距離變化。

圖4 光管周圍的聲場(chǎng)

圖5為肋片高度為0.5 cm的肋片管周圍聲場(chǎng)的分布。從圖5中可以看出, A、B兩點(diǎn)的峰值出現(xiàn)時(shí)間同樣滯后于聲波沿直線傳播到A、B兩點(diǎn)的時(shí)間,絕對(duì)聲壓出現(xiàn)周期性的變化, A點(diǎn)峰值大于B點(diǎn)峰值。

與圖4對(duì)比,肋片管中A、B兩點(diǎn)各個(gè)峰值的出現(xiàn)時(shí)間基本上大于光管中各個(gè)對(duì)應(yīng)峰值的出現(xiàn)時(shí)間。肋片管中B點(diǎn)的各個(gè)峰值與光管中B點(diǎn)對(duì)應(yīng)的各個(gè)峰值較為接近,肋片管中A點(diǎn)的各個(gè)峰值均大于光管中A點(diǎn)對(duì)應(yīng)的各個(gè)峰值,且隨著時(shí)間增加,兩種管在A點(diǎn)的各個(gè)對(duì)應(yīng)峰值的差別增加,在B點(diǎn)的各個(gè)對(duì)應(yīng)峰值的差別減小。顯然,這是由于肋片結(jié)構(gòu)的影響,肋片使得其周圍溝槽內(nèi)聲場(chǎng)分布更強(qiáng),從而強(qiáng)化冷流體與熱流體的換熱,隨著時(shí)間增加,遠(yuǎn)場(chǎng)聲場(chǎng)也在加強(qiáng),從而使得超聲波能影響遠(yuǎn)場(chǎng)冷流體間的傳熱。

2.3 肋片高度對(duì)聲場(chǎng)分布的影響

圖6為肋片高度分別為0.3 cm、0.5 cm、0.7 cm的肋片管流場(chǎng)中A、B、C三點(diǎn)的聲場(chǎng)分布。由圖6可以看出,不管在A、B還是C點(diǎn),肋片高度為0.5 cm的肋片管各個(gè)聲壓峰值都大于其他肋片管的對(duì)應(yīng)點(diǎn)聲壓峰值。肋片高度太小,肋片形成的溝槽區(qū)域較小,溝槽范圍內(nèi)超聲波聲強(qiáng)也較小,無(wú)法更有效實(shí)現(xiàn)超聲波協(xié)同流場(chǎng)進(jìn)行對(duì)流傳熱,而肋片高度太大,肋片對(duì)流場(chǎng)干擾增強(qiáng),肋片自身超聲波消耗的超聲波能量也較大。

圖6 肋片高度與聲場(chǎng)分布的關(guān)系

圖7為肋片高度分別為0.3 cm的肋片管內(nèi)的聲壓(t=80 μs)和溫度(t=120 s)圖像。從圖7中可以看出,當(dāng)t=80 μs時(shí),受流體流動(dòng)的影響,超聲波能量在肋片管內(nèi)軸向以及徑向分布并不對(duì)稱,能量主要集中在肋片管中部,聲強(qiáng)最大值位于溝槽內(nèi)。t=120 s時(shí),熱流體入口處的內(nèi)管壁面溫度最高,出口處壁面溫度也達(dá)到了353 K,但在外部冷流體中,位于冷流體出口附近的溝槽內(nèi)的流體溫度達(dá)到了328 K,溝槽其余位置處的冷流體溫度大多在300 K左右。

圖7 肋片管內(nèi)的聲壓和溫度圖像

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)COMSOL軟件模擬了超聲波在無(wú)肋片光管、肋片管周圍的分布特點(diǎn),分析了肋片對(duì)聲場(chǎng)的影響,討論了肋片、超聲波協(xié)同傳熱的機(jī)理。模擬結(jié)果表明,由于受到肋片的影響,流場(chǎng)中聲壓峰值出現(xiàn)的時(shí)間均略大于波沿直線傳播到場(chǎng)點(diǎn)的時(shí)間,溝槽內(nèi)的聲壓峰值大于采用無(wú)肋片光管傳熱時(shí)對(duì)應(yīng)點(diǎn)峰值,肋片高度為0.5 cm的肋片管在A點(diǎn)的聲壓比光管在A點(diǎn)的聲壓高17%～60%。在工程應(yīng)用中,肋片高度設(shè)計(jì)得太大或者太小,超聲波均不能最有效地協(xié)同流場(chǎng)進(jìn)行對(duì)流傳熱,肋片高度為0.5 cm的肋片管在A點(diǎn)的聲壓比肋片高度為0.3 cm、0.7 cm的肋片管在A點(diǎn)的聲壓分別高12%～27%、13%～17%。