水-油換熱器管道流動優(yōu)化數(shù)值模擬

1、題 目水-油換熱器管道流動優(yōu)化數(shù)值模擬學(xué)生姓名學(xué)號專業(yè)班級設(shè)計(jì)（論文）內(nèi)容及基本要求設(shè)計(jì)要求：一、采用理論分析和CFD數(shù)值模擬方法對水-油管道流動進(jìn)行優(yōu)化數(shù)值模擬工作。對不同形式的管道流動的流動狀態(tài)以及傳熱特性進(jìn)行分析對比從而達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。二、內(nèi)容要求：1.閱讀收集技術(shù)文獻(xiàn)資料（其中期刊、會議論文不少于6篇），理解設(shè)計(jì)任務(wù)，按學(xué)校有關(guān)要求完成開題報(bào)告一份（前4周完成），包括本課題研究意義、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、研究內(nèi)容及方法、詳細(xì)的階段進(jìn)度時間計(jì)劃等內(nèi)容；2.翻譯相關(guān)外文資料一篇，原文不少于15000個印刷符號；3.熟悉并熟練掌握FLUENT數(shù)值模擬軟件，并對換熱器凹槽管管道和波紋管管道的換熱

2、進(jìn)行數(shù)值仿真分析；4.完成設(shè)計(jì)說明書一份（30頁左右）；5.繪制有關(guān)技術(shù)圖紙,圖幅合計(jì)1張圖紙0#；6.所有正式文件均用A4紙張打印；7.提交內(nèi)容一致的電子文檔和紙質(zhì)文檔各一份；設(shè)計(jì)（論文）起止時間20 年 月 日 至 20 年 月 日設(shè)計(jì)（論文）地點(diǎn)指導(dǎo)教師簽名 年 月 日系（教研室）主任簽名年 月 日學(xué)生簽名年 月 日水-油換熱器管道流動優(yōu)化數(shù)值模擬摘 要:以水作為流動介質(zhì)，應(yīng)用三維常物性不可壓縮流體穩(wěn)態(tài)湍流流動模型，對凹槽管，波紋管內(nèi)的流動及傳熱性能進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，并與光滑圓管進(jìn)行了對比。針對波紋管和凹槽管管內(nèi)流體流動的特點(diǎn)，波紋管采用RNG-湍流模型，凹槽管用標(biāo)準(zhǔn)流模型，對等壁溫邊

3、界條件下管內(nèi)流體三維流動進(jìn)行數(shù)值模擬。本文研究了流速分別為0.5m/s、0.8 m/s、1.0m/s  、1.2 m/s時，在管徑16mm，管長1800mm的波紋管中的流動及傳熱特性。同時，本文對入口雷諾數(shù)分別為6000、12000、18000、24000的低溫流體流過較高壁溫的凹槽管時的流動換熱特性進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。經(jīng)過模擬計(jì)算得出了流動與換熱進(jìn)入充分發(fā)展階段時的不同截面處的溫度、速度、湍流動能分布云圖。模擬結(jié)果表明對于所選結(jié)構(gòu)的波紋管和凹槽管，換熱量隨水流速度的增加而增大，同時湍流強(qiáng)化傳熱效應(yīng)增強(qiáng)，凹槽管、波紋管均比相同管徑的光管綜合換熱性能強(qiáng)。關(guān)

4、鍵詞：強(qiáng)化傳熱；凹槽管；波紋管；數(shù)值模擬；傳熱特性Numerical Simulation for Flow Optimization of Water Oil Heat Exchanger PipesAbstract: The fluid flow characteristics and heat transfer performance in fluted tube and corrugated tubes were numerically investigated and compared

5、 with smooth tube. It is threedimensional steady incompressible turbulence flow and water as the working mediumDue to the special characteristics of flow field, corrugated tubes was performed by using the RNG k turbulence model and fluted tube was performed by using the standard k- turbulence model

6、for the wall temperature is constant in the tubes. The characteristics of turbulent flow and heat transfer in corrugated tubes of the diameter 16mm and the length 18000mm were studied in different condition of the velocity of flow at 0.5m/s, 0.8 m/s, 1.0m/s,1.2 m/s. At the same time, the cases which

7、 the fluid in different Reynolds number of 6000,12000,18000,24000 flows over fluted tube with higher wall temperature were simulated. The temperature, velocity distribution, pressure, turbulence intensity at different sections for fully developed fluid were obtained, which were compared with the res

8、ults of smooth tubes. The numerical results showed that the quantity of heat transfer increased with the risen of the velocity, and turbulent enhanced as the heat transfer strengthened. It was found that the corrugated tubes and fluted tube can significantly enhance the heat transfer under the same

9、diameter condition.Keywords: corrugated tubes; fluted tube ;Heat transfer enhancement; Numerical simulation; Heat transfer目錄第1章 緒論11.1 課題研究的背景及意義11.2 換熱器分類11.3 換熱器研究與發(fā)展21.3.1 換熱器發(fā)展歷史21.3.2 換熱器研究及發(fā)展動向31.3.3 國外新型換熱器技術(shù)走向41.4 強(qiáng)化傳熱技術(shù)71.4.1 強(qiáng)化傳熱技術(shù)研究進(jìn)展71.4.2 強(qiáng)化傳熱技術(shù)分類71.4.3 強(qiáng)化傳熱的途徑81.4.4 強(qiáng)化傳熱理論91.4.5 強(qiáng)化傳熱技術(shù)

10、評價(jià)準(zhǔn)則10第2章 流體力學(xué)基礎(chǔ)和數(shù)值模擬簡介112.1 流體力學(xué)基礎(chǔ)112.1.1 流體的基本性質(zhì)112.1.2 流體運(yùn)動的基本概念122.2 數(shù)值模擬計(jì)算方法132.2.1 FLUENT 簡介132.2.2 數(shù)值模擬思想與理論142.2.3 流動與傳熱問題的控制方程152.2.4 湍流模型162.2.5 SIMPLE算法16第3章 基于Fluent的換熱器管道流場模擬173.1 強(qiáng)化換熱凹槽管內(nèi)流動與傳熱數(shù)值模擬173.1.1 問題概述173.1.2 Fluent的計(jì)算步驟173.1.3 凹槽管與光滑圓管模擬結(jié)果對比分析193.1.4 強(qiáng)化傳熱特性分析233.1.5 阻力特性253.2 強(qiáng)

11、化換熱波紋管內(nèi)流動與傳熱數(shù)值模擬263.2.1 數(shù)值模型263.2.2 模擬結(jié)果對比及分析293.2.3 強(qiáng)化傳熱特性分析33第4章 結(jié)論36參考文獻(xiàn)37致謝38I第1章 緒論1.1 課題研究的背景及意義工業(yè)社會的發(fā)展，離不開能源儲備的有力支撐。眾所周知，當(dāng)今人類社會面臨三大世界性的難題:1、能源危機(jī);2、人口激增;3、環(huán)境污染。作為發(fā)展中國家的一員，當(dāng)前擺在我國面前的能源問題非常嚴(yán)峻。雖然我國能源儲備比較豐富，能源種類也比較多，但是由于人口基數(shù)大，使得我國的人均能源占有率非常低。近年來政府大力倡導(dǎo)節(jié)能減排，雖然取得了不錯的成績，但是離真正解決能源危機(jī)還有很長的一段路要走。當(dāng)前，緩解能源危機(jī)主

12、要有兩大途徑:1、減少對不可再生資源使用的依賴性，不斷開發(fā)和研究新的可再生資源，如太陽能、風(fēng)能、化學(xué)能、生物能等等;2、改善能源的使用情況，積極研究開發(fā)相關(guān)能源的節(jié)能減排手段和技術(shù)，提高能源的使用效率。換熱器是一種十分重要的熱量交換設(shè)備，它是一種在不同溫度的多種介質(zhì)之間實(shí)現(xiàn)熱量傳遞的節(jié)能設(shè)備。它可以用低溫介質(zhì)冷卻高溫介質(zhì)從而達(dá)到降溫、預(yù)冷的效果，也可以用高溫介質(zhì)加熱低溫介質(zhì)，使其溫度達(dá)到工藝流程的規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)從而達(dá)到生產(chǎn)的需要。而換熱器是化工、石油、鋼鐵、汽車、環(huán)保、食品及其他許多工業(yè)部門的通用設(shè)備，在生產(chǎn)中占有重要地位。在化工行業(yè)通常占工藝設(shè)備總投資的10%20%，在煉油行業(yè)中則可能占到35%4

13、0%。因而決定了換熱器在工業(yè)社會占有舉足輕重的地位，這些行業(yè)的發(fā)展都將為換熱器行業(yè)提供更加廣闊的發(fā)展空間。我們知道如今國內(nèi)市場需求呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：對產(chǎn)品質(zhì)量水平提出了更高的要求，要求產(chǎn)品性價(jià)比提高；對產(chǎn)品的個性化、多樣化的需求趨勢強(qiáng)烈。所以為了滿足以上要求以及工藝條件，我們必須對換熱器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。1.2 換熱器分類換熱器作為傳熱設(shè)備隨處可見，在工業(yè)中應(yīng)用非常普遍，特別是耗能量十分大的領(lǐng)域。隨著節(jié)能技術(shù)的飛速發(fā)展，換熱器的種類開發(fā)越來越多。適用于不同介質(zhì)、不同工況、不同溫度、不同壓力的換熱器結(jié)構(gòu)和形式亦不相同，換熱器種類隨新型，高效換熱器的開發(fā)不斷更新，具體分類如下。(1)冷、熱流體熱量交換的原

14、理和方式?；旧峡煞秩箢悾洪g壁式、混合式和蓄熱式。間壁式換熱器是溫度不同的兩種流體在被壁面分開的空間里流動，通過壁面的導(dǎo)熱和流體在壁表面對流進(jìn)行換熱。間壁式換熱器根據(jù)傳熱面的結(jié)構(gòu)不同可分為管式、板面式和其他型式。管式換熱器以管子表面作為傳熱面，包括蛇管式換熱器、套管式換熱器和管殼式換熱器等；板面式換熱器以板面作為傳熱面，包括板式換熱器、螺旋板換熱器、板翅式換熱器、板殼式換熱器和傘板換熱器等；其他型式換熱器是為滿足某些特殊要求而設(shè)計(jì)的換熱器，如刮面式換熱器、轉(zhuǎn)盤式換熱器和空氣冷卻器等。 混合式換熱器是通過冷、熱流體的直接接觸、混合進(jìn)行熱量交換的換熱器，又稱接觸式換熱器。由于兩流體混合換熱后必須

15、及時分離，這類換熱器適合于氣、液兩流體之間的換熱。例如，化工廠和發(fā)電廠所用的涼水塔中，熱水由上往下噴淋，而冷空氣自下而上吸入，在填充物的水膜表面或飛沫及水滴表面，熱水和冷空氣相互接觸進(jìn)行換熱，熱水被冷卻，冷空氣被加熱，然后依靠兩流體本身的密度差得以及時分離。在蓄熱式換熱器中，冷熱兩種流體依次交替地流過同一換熱表面而實(shí)現(xiàn)熱量交換，固體表面除了換熱以外還起到蓄熱的作用：高溫流體經(jīng)過時，固體避免吸收并積蓄熱量，然后釋放給接著流過的低溫流體。這種換熱器的熱量傳遞過程是非穩(wěn)態(tài)的。三種類型中，間壁式換熱器應(yīng)用最為廣泛。(2)表面的緊湊程度。換熱器還可以按照表面的緊湊程度而區(qū)分為緊湊式換熱器（compact

16、 heat exchanger）與非緊湊式換熱器(non-compact heat exchanger)。緊湊的程度可以用水力直徑（dh ，hydraulic diameter，也稱當(dāng)量直徑，流動界面積的4倍除以濕周長）來區(qū)別，或者用每立方米中的傳熱面積來衡量：當(dāng)>700m2或者dh <6mm時，稱為緊湊式換熱器。當(dāng)>3000m2或者100<dh <1mm時，由于水力直徑的減小，導(dǎo)致雷諾數(shù)減小通道內(nèi)的流動一般為層流，故又稱此類換熱器為層流換熱器；當(dāng)>15000m2或者100<dh <1mm時屬于微型換熱器1。1.3 換熱器研究與發(fā)展1.3.1 換

17、熱器發(fā)展歷史20世紀(jì)20年代出現(xiàn)板式換熱器，并應(yīng)用于食品工業(yè)。以板代管制成的換熱器，結(jié)構(gòu)緊湊，傳熱效果好，因此陸續(xù)發(fā)展為多種形式。30年代初，瑞典首次制成螺旋板換熱器。接著英國用釬焊法制造出一種由銅及其合金式換熱器，用于紙漿工廠。在此期間，為了解決強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)的換熱問材料制成的板翅式換熱器，用于飛機(jī)發(fā)動機(jī)的散熱。30年代末，瑞典又制造出第一臺板殼題，人們對新型材料制成的換熱器開始注意。60年代左右，由于空間技術(shù)和尖端科學(xué)的迅速發(fā)展，迫切需要各種高效能緊湊型的換熱器，再加上沖壓、釬焊和密封等技術(shù)的發(fā)展，換熱器制造工藝得到進(jìn)一步完善，從而推動了緊湊型板面式換熱器的蓬勃發(fā)展和廣泛應(yīng)用。此外，自60年

18、代開始，為了適應(yīng)高溫和高壓條件下的換熱和節(jié)能的需要，典型的管殼式換熱器也得到了進(jìn)一步的發(fā)展。70年代中期，為了強(qiáng)化傳熱，在研究和發(fā)展熱管的基礎(chǔ)上又創(chuàng)制出熱管式換熱器。20世紀(jì)80年代以來，換熱器技術(shù)飛速發(fā)展，帶來了能源利用率的提高。各種新型高效換熱器的相繼開發(fā)與應(yīng)用帶來了巨大的社會經(jīng)濟(jì)效益，市場經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，私有化比例的加大，降低成本已成為企業(yè)追求的最終目標(biāo)。因而節(jié)能設(shè)備的研究與開發(fā)備受矚目。能源的日趨緊張，全球氣溫的不斷升高，環(huán)境保護(hù)要求的提高給換熱器及空冷式換熱器及高溫，高壓換熱器迎來了日益廣闊的應(yīng)用前景。1.3.2 換熱器研究及發(fā)展動向（1）物性模擬研究:換熱器傳熱與流體流動計(jì)算的準(zhǔn)確性，

19、取決于物性模擬的準(zhǔn)確性。因此，物性模擬一直為傳熱界重點(diǎn)研究課題之一，特別是兩相流物性的模擬，這恰恰是與實(shí)際工況差別的體現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)際工況很復(fù)雜，準(zhǔn)確性主要體現(xiàn)與實(shí)際工況的差別。純組分介質(zhì)的物性數(shù)據(jù)基本上準(zhǔn)確，但油氣組成物的數(shù)據(jù)就與實(shí)際工況相差較大，特別是帶有固體顆粒的流體模擬更復(fù)雜。為此，要求物性模擬在試驗(yàn)手段上更加先進(jìn)，測試的準(zhǔn)確率更高。從而使換熱器計(jì)算更精確，材料更節(jié)省。物性模擬將代表換熱器的經(jīng)濟(jì)技術(shù)水平。（2）分析設(shè)計(jì)的研究:分析設(shè)計(jì)是近代發(fā)展的一門新興科學(xué)，美國ANSYS軟件技術(shù)一直處于國際領(lǐng)先技術(shù)，通過分析設(shè)計(jì)可以得到流體的流動分布場，也可以將溫度場模擬出來，這無疑給流路分析法技

20、術(shù)帶來發(fā)展，同時也給常規(guī)強(qiáng)度計(jì)算帶來更準(zhǔn)確，更便捷的手段。在超常規(guī)強(qiáng)度計(jì)算中，可模擬出應(yīng)力的分布圖，使常規(guī)方法無法得到的計(jì)算結(jié)果能方便、便捷、準(zhǔn)確地得到，使換熱器更加安全可靠。這一技術(shù)隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用的發(fā)展，將帶來技術(shù)水平的飛躍。將會逐步取代強(qiáng)度試驗(yàn)，擺脫實(shí)驗(yàn)室繁重的勞動強(qiáng)度。（3）大型化及能耗研究:換熱器將隨著裝置的大型化而大型化，直徑將超過5m，傳熱面積將達(dá)到單位10000 m，緊湊型換熱器將越來越受歡迎。板殼式換熱器，折流桿換熱器，板翅式換熱器，板式空冷器將得到發(fā)展，振動損失將逐步克服，高溫，高壓，安全，可靠的換熱器結(jié)構(gòu)朝著結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，重量輕發(fā)展。隨著全球水資源的緊張，循環(huán)水將被新

21、的冷卻介質(zhì)取代，循環(huán)將被新型，高效的空冷器所取代。保溫絕熱技術(shù)發(fā)展，熱量損失將減少到目前的50一下。（4）強(qiáng)化技術(shù)研究:各種新型，高效換熱器將逐步取代現(xiàn)有常規(guī)產(chǎn)品。電場動力效應(yīng)強(qiáng)化換熱技術(shù)，添加物強(qiáng)化沸騰傳熱技術(shù)，通入惰性氣體強(qiáng)化傳熱技術(shù)，添加物強(qiáng)化沸騰傳熱技術(shù)，微生物傳熱技術(shù)，磁場動力傳熱技術(shù)將會在新的世紀(jì)得到研究和發(fā)展。同心管換熱器、高溫噴流式換熱器、印刷線路板換熱器、穿孔板換熱器、微尺度換熱器、微通道換熱器、硫化床換熱器、新能源換熱器將在工業(yè)領(lǐng)域及其它領(lǐng)域得到研究和應(yīng)用。（5）新材料研究:材料將朝著強(qiáng)度高，制造工藝簡單，防腐效果好，重量輕的方向發(fā)展。隨著稀有金屬價(jià)格的下降，鈦、鉭、鋯等稀

22、有金屬使用量將擴(kuò)大，鋼材料將實(shí)現(xiàn)不預(yù)熱和后熱的方向發(fā)展。（6）控制結(jié)垢及腐蝕的研究，國內(nèi)污垢數(shù)據(jù)基本上是20世紀(jì)6070年代從國外照搬而來。四十年來，污垢研究技術(shù)發(fā)展緩慢。隨著節(jié)能，增效要求的提高，污垢研究將會受到國家的重視和投入。通過對污垢形成的機(jī)理，生長速度，影響因素的研究，預(yù)測污垢曲線，從而控制結(jié)垢，這對傳熱效率的提高將帶來重大的突破。保證裝置低能耗，長周期的運(yùn)行，超聲防垢技術(shù)將得到大力發(fā)展。腐蝕技術(shù)的研究將會有所突破，低成本的防腐涂層特別是金屬防腐鍍層技術(shù)將得到發(fā)展，電化學(xué)防腐技術(shù)將成為主導(dǎo)。1.3.3 國外新型換熱器技術(shù)走向(1)螺旋折流板換熱器螺旋折流板換熱器（圖1-1）是最新發(fā)展

23、起來的一種管殼式換熱器 ,是由美國 ABB 公司提出的。其基本原理為:將圓截面的特制板安裝在”擬螺旋折流系統(tǒng)”中 ,每塊折流板占換熱器殼程中橫剖面的四分之一 ,其傾角朝向換熱器的軸線 ,即與換熱器軸線保持一定傾斜度。相鄰折流板的周邊相接 ,與外圓處成連續(xù)螺旋狀。每個折流板與殼程流體的流動方向成一定的角度 ,使殼程流體做螺旋運(yùn)動 ,能減少管板與殼體之間易結(jié)垢的死角 ,從而提高了換熱效率。在氣一水換熱的情況下 ,傳遞相同熱量時 ,該換熱器可減少30 %40 %的傳熱面積 ,節(jié)省材料 20 %30 %。相對于弓形折流板 ,螺旋折流板消除了弓形折流板的返混現(xiàn)象、卡門渦街 ,從而提高有效傳熱溫差 ,防止

24、流動誘導(dǎo)振動;在相同流速時 ,殼程流動壓降小;基本不存在震動與傳熱死區(qū) ,不易結(jié)垢。對于低雷諾數(shù)下(Re< 1 000)的傳熱 ,螺旋折流板效果更為突出。圖1-1螺旋折流板換熱器(2)折流桿式換熱器圖1-2 折流桿式換熱器 示意圖20 世紀(jì) 70 年代初 ,美國菲利浦公司為了解決天然氣流動振動問題 ,將管殼式換熱器中的折流板改成桿式支撐結(jié)構(gòu) ,開發(fā)出折流桿換熱器。研究表明 ,這種換熱器（圖1-2）不但能防振 ,而且傳熱系數(shù)高?，F(xiàn)在此種換熱器廣泛應(yīng)用于單相沸騰和冷凝的各種工況。在后來出現(xiàn)了一種外導(dǎo)流筒折流桿換熱器 ,此種換熱器能最大限度地消除管殼式換熱器擋板的傳熱不活躍區(qū) ,增加了單位體積

25、設(shè)備的有效傳熱面積。目前 ,所有的浮頭式換熱器均采用了外導(dǎo)流筒。近些年 ,又出現(xiàn)了直扁鋼條支撐方式和波浪型扁鋼支撐結(jié)構(gòu)等新型支撐結(jié)構(gòu)的折流桿換熱器 。這些新結(jié)構(gòu)除了增加有效換熱面積外 ,更主要的是提高了對管子震動的抑制作用。(3) 空心環(huán)管殼式換熱器空心環(huán)管殼式換熱器（圖1-3）是華南理工大學(xué)于發(fā)明的一種新型管殼式換熱器?？招沫h(huán)是由直徑較小的鋼管截成短節(jié) ,均勻地分布于換熱管管間的同一截面上 ,呈線性接觸 ,在緊固裝置螺栓力的作用下 ,使管束相對緊密固定。從而支撐管束并促進(jìn)流體擾動?？招沫h(huán)支撐往往與強(qiáng)化管組合使用 。其特點(diǎn)是：1) 殼程流阻低。殼程軸向流道空隙率達(dá)80 %的空心環(huán)管間支承物對縱

26、向流體的形體阻力幾乎可以忽略。2) 傳熱膜系數(shù)高。該種結(jié)構(gòu)的換熱器可充分發(fā)揮粗糙型強(qiáng)化傳熱管的強(qiáng)化傳熱性能 ,利用傳熱管的周向粗糙肋 ,促進(jìn)縱向流體在傳熱界面上滯流層的湍流度,獲得比普通光滑管界面高 80 %100 %的傳熱膜系數(shù)圖1-3 空心環(huán)管式換熱器 示意圖(4)管子自支承式換熱器近年來 ,人們將殼程強(qiáng)化傳熱的兩種主要途徑綜合起來考慮 ,利用管子形狀的變化來達(dá)到相互支撐和強(qiáng)化傳熱雙重功能。目前主要有剌孔膜片式、螺旋扁管式和變截面管式幾種形式。剌孔膜片式的特點(diǎn)是刺孔膜片既是支撐元件 ,又是管壁的延伸 ,增大了單位體積內(nèi)的有效傳熱面積；膜片上的毛刺和小孔增大了流體湍流度 ,各區(qū)間的流體經(jīng)小孔

27、實(shí)現(xiàn)一定程度的混合；刺和孔使換熱表面的邊界層不斷更新 ,減薄了層流底層厚度 ,從而提高了換熱系數(shù);殼程流體縱向流動 ,壓力降很小。螺旋扁管是瑞典 ALLARES公司推出的一種高效換熱元件，螺旋扁管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是管子換熱段的任一截面均為一長圓 ,當(dāng)組裝成換熱器時可以混合管束 ,也可以是純螺旋扁管。螺旋扁管的截面類似于橢圓管 ,橢圓的長短軸比值根據(jù)換熱管程和殼程的流速設(shè)計(jì)確定 ,當(dāng)管程流量較低時 ,可增大長、短軸之比值。減少流通截面以提高流速 ,使換熱器兩側(cè)處于較理想的流動狀態(tài)。 變截面管式（圖1-4）是把普通圓管按一定節(jié)距壓制出互成90度或互成60度的扁圓形截面 ,利用這種變截面管互相支撐并構(gòu)成擾

28、流元件。這種換熱器管子排列緊湊 ,減少了換熱器的尺寸和質(zhì)量 ,而且可實(shí)現(xiàn)管束間流體薄層流動。其結(jié)構(gòu)比較簡單 ,且是雙面強(qiáng)化管 ,但最大弱點(diǎn)是管內(nèi)阻力太大。圖1-4變截面管 示意圖(5)縱流管束換熱器流體在殼程中作縱向流動是管殼式換熱器中最理想的流動形式。為了將弓形折流板支撐的橫向流動盡可能地改為平行于管子的縱向流動 ，消除滯留死區(qū) 。近年來開發(fā)出了一些新型結(jié)構(gòu)，例如矩形孔、梅花孔等異形孔的折流板結(jié)構(gòu)。這種折流板既能支承管子 ,又能讓傳熱介質(zhì)流過折流板 ,產(chǎn)生射流 ,從而消除了管子結(jié)垢和垢下腐蝕。后來 ,德國 GRIMMA公司制造的一種網(wǎng)狀整圓形折流板換熱器 ,傳熱效果優(yōu)于傳統(tǒng)的圓缺形折流板換熱

29、器 ,其結(jié)構(gòu)為在折流板上開橫排管孔 ,以 4 個孔為一組將管橋處銑通，殼側(cè)流體在管橋處沿著軸向流動 ,避免了流體因轉(zhuǎn)折引起的滯留區(qū)。瑞典的 WELL 和 GEE 提出的針翅管，既能擴(kuò)大傳熱面，又可造成流體的強(qiáng)烈擾動 ，極大地強(qiáng)化了傳熱，而且壓降不大 ，可大大節(jié)省支承板材料 ，是當(dāng)前國內(nèi)外最先進(jìn)的縱向流換熱器。(6)熱管換熱器熱管是一種新型高效的傳熱元件。熱管是一個內(nèi)部抽成真空并充以少量液體的密封管，具有高效的導(dǎo)熱性能。在工作時熱流體通過熱管的一端外表面，冷流體通過熱管另一部分。籍助于管內(nèi)工質(zhì)的潛熱變化而進(jìn)行冷熱流體間的換熱。由于是潛熱的變化，具有相當(dāng)高的導(dǎo)熱能力 ，其當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)為銅、銀等金屬

30、導(dǎo)熱系數(shù)的幾百倍。在20世紀(jì)60年代首先被應(yīng)用于宇航技術(shù)中，后來在電子、機(jī)械、化工和石油等行業(yè)也有了廣泛的應(yīng)用。熱管換熱器在國外已系列化生產(chǎn)。而我國經(jīng)過 20 多年努力先后開發(fā)了氣、氣熱管換熱器、熱管蒸汽發(fā)生器和高溫?zé)峁?，并在石油、化工、冶金、動力以及水泥等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，取得了良好的效果。（7）新型麻花管換熱器瑞典Alares公司開發(fā)了一種扁管換熱器，通常稱為麻花管換熱器。美國休斯頓的布朗公司做了改進(jìn)。螺旋扁管的制造過程包括了“壓扁”與“熱扭”兩個工序。改進(jìn)后的麻花管換熱器同傳統(tǒng)的管殼式換熱器一樣簡單，但有許多激動人心的進(jìn)步，它獲得了如下的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益：改進(jìn)了傳熱，減少了結(jié)垢，真正的

31、逆流，降低了成本，無振動，節(jié)省了空間，無折流元件。由于管子結(jié)構(gòu)獨(dú)特使管程與殼程同時處于螺旋運(yùn)動，促進(jìn)了湍流程度。該換熱器總傳熱系數(shù)較常規(guī)換熱器高40%，而壓力降幾乎相等。組裝換熱器時也可采用螺旋扁管與光管混合方式。該換熱器嚴(yán)格按照ASME標(biāo)準(zhǔn)制造。凡是用管殼式換熱器和傳統(tǒng)裝置之處均可用此種換熱器取代。它能獲得普通管殼式換熱器和板框式傳熱設(shè)備所獲得的最佳值。估計(jì)在化工、石油化工行業(yè)中具有廣闊的應(yīng)用前景。（8）非釬焊繞絲筋管螺旋管式換熱器在管子上纏繞金屬絲作為筋條(翅片)的螺旋管式換熱器(TA)，一般都是采用焊接方法將金屬絲固定在管子上。但這種方法對整個設(shè)備的質(zhì)量有一系列的影響，因?yàn)殁F焊法必將從換

32、熱中“扣除”很大一部分管子和金屬絲的表面。更重要的是，由于焊料迅速老化和破碎會造成機(jī)器和設(shè)備堵塞，隨之提前報(bào)損。俄羅斯推薦一種新方法制造繞絲筋管，即借助在管子上纏繞和拉緊金屬絲時產(chǎn)生的機(jī)械接觸來固定筋條。采用此法能促進(jìn)得到釬焊時的連續(xù)特性(即將金屬絲可靠地固定在管子上，而管子的截面又不過分壓緊)，故對于金屬絲僅用做隔斷時，可以認(rèn)為是較釬焊更受歡迎的方法。但若利用金屬絲作為筋條(翅片)以增加換熱面積時，只有當(dāng)非釬焊筋條的有效傳熱面不小于釬焊連接時，才應(yīng)更偏重于此方法。試驗(yàn)表明，當(dāng)金屬絲與管子為線性接觸時，有效傳熱面最大，但此時金屬絲會沿管子滑動。所以關(guān)鍵是要選取最佳的接觸寬度，也就是繞絲時管子變

33、形留下的痕跡的寬度。這樣，非釬焊時的有效傳熱面要比釬焊時大。1.4 強(qiáng)化傳熱技術(shù)1.4.1 強(qiáng)化傳熱技術(shù)研究進(jìn)展強(qiáng)化傳熱概括的說就是改善并提高熱量傳遞的速率，盡可能使單位時間內(nèi)，通過單位面積傳遞更多的熱量，以達(dá)到能源節(jié)約高效、清潔、安全合理利用的目的。強(qiáng)化傳熱技術(shù)主要是利用強(qiáng)化傳熱元件，改進(jìn)現(xiàn)有換熱器或者開發(fā)新型換熱器，以達(dá)到節(jié)約設(shè)備投資與運(yùn)行成本、優(yōu)化生產(chǎn)的目的。最初人們只是在相對分散的領(lǐng)域關(guān)注的強(qiáng)化傳熱，直到 20 世紀(jì) 70 年代，石油危機(jī)爆發(fā)，能源合理利用成為各國工業(yè)持續(xù)發(fā)展亟需解決的問題，極大推進(jìn)了強(qiáng)化傳熱技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了各種強(qiáng)化技術(shù)的應(yīng)用，20 世紀(jì) 90 年代以來，強(qiáng)化傳熱研究

34、不斷向新的領(lǐng)域發(fā)展?jié)B透，其深度與廣度日益加大，強(qiáng)化傳熱新理論不斷完善和建立，并在理論指導(dǎo)下走向第三代強(qiáng)化傳熱技術(shù)，并取得了不錯的社會效益。管殼式換熱器使用范圍很廣，近年來環(huán)保、能源高效利用的要求不斷提高，生產(chǎn)工藝不斷改變，新能源的開發(fā)利用，設(shè)備大型化發(fā)展等都對管殼式換熱器提出了新要求，解決這些問題都離不開強(qiáng)化傳熱技術(shù)的應(yīng)用。管殼式換熱器強(qiáng)化傳熱的主要方法是對其內(nèi)部元件采用強(qiáng)化傳熱措施，具體的就是改變支撐使流體的流動狀況得到改善，或采用各種強(qiáng)化傳熱管取代圓管。1.4.2 強(qiáng)化傳熱技術(shù)分類 強(qiáng)化傳熱技術(shù)應(yīng)用的目的不盡相同，或?yàn)樘岣邆鳠崴俾剩驗(yàn)闇p小設(shè)備量和體積，或?yàn)榻档凸β氏墓?jié)約運(yùn)行成本，亦或?yàn)?/p>

35、了保護(hù)設(shè)備在安全溫度下運(yùn)行等，所以選用強(qiáng)化傳熱技術(shù)時必須明確目的并熟悉其分類。按照傳熱方程，強(qiáng)化傳熱可以粗略的分為三類：增大平均傳熱溫差、增大傳熱面積、提高傳熱系數(shù)；還可以根據(jù)主要的傳熱過程來分類：導(dǎo)熱傳熱強(qiáng)化、單相對流傳熱強(qiáng)化、沸騰或冷凝傳熱強(qiáng)化、輻射傳熱強(qiáng)化；美國學(xué)者 Bergles 從提高傳熱系數(shù)的角度將強(qiáng)化傳熱技術(shù)分為無源強(qiáng)化技術(shù)（被動強(qiáng)化）和有源強(qiáng)化技術(shù)（主動強(qiáng)化）4，前者是不消耗外部能量達(dá)到強(qiáng)化傳熱的目的，后者是依賴外部能量的輸入進(jìn)行強(qiáng)化傳熱。此外還有將不同強(qiáng)化傳熱技術(shù)綜合使用的復(fù)合強(qiáng)化傳熱技術(shù)。1.4.3 強(qiáng)化傳熱的途徑在表面式換熱器中，單位時間內(nèi)的換熱量Q與冷熱流體的溫度差（傳

36、熱溫差）及傳熱面積F 成正比，即 （1-1）其中，比例系數(shù)K稱為傳熱系數(shù)，它是反映傳熱強(qiáng)弱的指標(biāo)。當(dāng)傳熱面積F 和傳熱溫差 固定時，K越大，傳熱量也就越大。由上式可以看出，增大傳熱量Q可以通過提高傳熱系數(shù)K、擴(kuò)大傳熱面積F和增大傳熱溫差T三種途徑來實(shí)現(xiàn)，以下分別進(jìn)行介紹。 增大傳熱溫差的方法有兩種。一種方法是提高熱流體的溫度或降低冷流體的溫度。然而在實(shí)際工程中，冷熱流體的種類及溫度常受生產(chǎn)工藝、經(jīng)濟(jì)性等因素的制約，不能隨意改動。這時可以采用另外一種方法，即通過改變傳熱面的布置來提高傳熱溫差。由于冷熱流體逆向流動時平均溫差最大，因此各類換熱器一般應(yīng)盡量采用逆流或接近逆流的流型布置。 擴(kuò)大傳熱面積

37、F 。增大傳熱面積是目前最有實(shí)效的強(qiáng)化傳熱途徑之一，它并不是簡單的通過增大設(shè)備體積來擴(kuò)大傳熱面積，而是通過改進(jìn)傳熱面的結(jié)構(gòu)來增大單位體積內(nèi)的傳熱面積。它的優(yōu)點(diǎn)在于不僅使傳熱面得到充分?jǐn)U展，而且還使流體的流動和換熱特性得到相應(yīng)改善，從而使換熱器高效而緊湊。常用的形式有翅化面（肋化面）、異形表面、采用小直徑管、多孔介質(zhì)等。 改善傳熱系數(shù)K 。提高換熱器的傳熱系數(shù)以增加換熱量是強(qiáng)化傳熱的重要途徑，也是當(dāng)前強(qiáng)化傳熱研究的重點(diǎn)。換熱器中的傳熱過程都是由熱傳遞的三種基本方式組合而成的復(fù)雜過程，反映換熱器傳熱能力的傳熱系數(shù)K 受其傳熱過程各分過程傳熱能力的共同影響。在換熱器管壁較薄且沒有污垢的情況下，換熱器

38、穩(wěn)定運(yùn)行時的傳熱系數(shù)K 可由下式計(jì)算 （1-2）式中-換熱器材料導(dǎo)熱系數(shù)（）-熱流體與傳熱外表面之間的換熱系數(shù)（）-冷流體與傳熱內(nèi)表面之間的換熱系數(shù)()-換熱器壁厚(m)由上式可知，要增大K 值，提高傳熱面兩側(cè)的換熱系數(shù)，選用導(dǎo)熱性能良好的材料作換熱間壁，并盡可能減薄間壁厚度，避免或減輕污垢積聚等都能起到作用。一般情況下，管子金屬材料的導(dǎo)熱系數(shù)很大，管壁厚度很小，式中這一項(xiàng)常可略去不計(jì)，于是上式可以改寫成 （1-3）由上式可以看出，當(dāng)和的值相差較大時，要增加傳熱系數(shù)可以通過提高管子兩側(cè)的對流換熱系數(shù)實(shí)現(xiàn)，尤其是提高換熱器換熱較差一側(cè)的換熱系數(shù)，以取得較好的強(qiáng)化換熱效果。對于強(qiáng)化單相介質(zhì)對流換熱

39、，可采取以下措施：1提高工質(zhì)流速；2使流體橫向沖刷管束，消除流體流動時出現(xiàn)的漩渦死滯區(qū)；3增加流體的擾動和混合、破壞流體邊界層或?qū)恿鞯讓拥陌l(fā)展、改變換熱面表面狀況等。例如采用粗糙表面（螺紋管、螺旋槽管、波形板），擴(kuò)展表面（翅片管、內(nèi)肋管），旋渦發(fā)生器（紐帶、螺旋線圈、導(dǎo)流葉片），周期性變化對流換熱等。 1.4.4 強(qiáng)化傳熱理論強(qiáng)化傳熱理論不僅能使人們對不同強(qiáng)化傳熱技術(shù)的物理本質(zhì)有統(tǒng)一的認(rèn)識，還對節(jié)能高效的強(qiáng)化技術(shù)的開發(fā)具指導(dǎo)意義，然而關(guān)于強(qiáng)化傳熱技術(shù)的研究，大多具有經(jīng)驗(yàn)或者半經(jīng)驗(yàn)的性質(zhì)，理論研究相對缺少。對流傳熱的場協(xié)同理論的提出從很大程度上改變了這一現(xiàn)狀，該理論能對現(xiàn)有的強(qiáng)化傳熱技術(shù)進(jìn)行深入

40、解釋；相比于傳統(tǒng)的強(qiáng)化傳熱技術(shù)只能通過不斷的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)，通過場協(xié)同理論可以更容易獲得最優(yōu)的強(qiáng)化傳熱技術(shù)。速度場與溫度場協(xié)同是指對流傳熱中速度場與溫度場的配合能使無因次流動當(dāng)量熱源強(qiáng)度提高，使傳熱得到強(qiáng)化。在研究流動與傳熱時，場協(xié)同這一評價(jià)指標(biāo)的應(yīng)用已經(jīng)很普遍，根據(jù)相關(guān)著作2，速度場與溫度梯度場的協(xié)同性可以用它們的夾角大小來衡量。 （1-4）其中U 是速度矢量由、三個分量構(gòu)成；T為溫度變量，為相應(yīng)的溫度梯度；b 為速度矢量與溫度梯度的夾角。很明顯，角度越小，U 和的點(diǎn)積就越大，而點(diǎn)積的增大就意味著數(shù)的增大。因此，協(xié)同角越小和的點(diǎn)積越大，流體與固體表面的對流傳熱將會得到加強(qiáng)。為了更好的發(fā)揮數(shù)值計(jì)算方

41、法可視化的優(yōu)點(diǎn)，本文通過用戶自定義場函數(shù)（Custom field functions ）把協(xié)同角轉(zhuǎn)換為角度形式，變化范圍為，這樣便于可視化觀察和分析強(qiáng)化表面處的場協(xié)同效果。 場協(xié)同數(shù)Fc是一個定量描述和比較不同對流傳熱情況下的速度場和溫度場協(xié)同程度的標(biāo)準(zhǔn)，其定義為： （1-5）當(dāng)Fc=1 時，稱對流傳熱的熱流場和速度場是完全協(xié)同的，即溫度場與速度場配合最好。實(shí)際中各種對流換熱的Fc都很小，甚至比 1 低 12 個量級，還存在很大的改進(jìn)空間。1.4.5 強(qiáng)化傳熱技術(shù)評價(jià)準(zhǔn)則采用強(qiáng)化傳熱技術(shù)過程中，傳熱增強(qiáng)的同時，流動功耗往往增加的更多，所以人們最關(guān)心的問題是采用何種評價(jià)準(zhǔn)則來判斷收益和支出是否

42、匹配，即傳熱效率的提高與輸出功率的支出等效效果如何。在實(shí)際中，與普通換熱器的傳熱效果進(jìn)行對比時，由于使用場合與目的的不同，需要的性能評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（PEC）也不相同。 按照強(qiáng)化傳熱的目的，可以將 PEC 分為三類：（1）在相同的換熱功率、壓降、流量下，減小換熱器的體積；（2）在換熱器體積、壓力損失、流量相同的情況下，提高換熱器的傳熱效率；（3）在換熱器體積、傳熱效率、流量相同的條件下，減小壓力損失。凹槽管是由圓管經(jīng)過冷軋工藝加工制得，其傳熱面積與圓管的傳熱面積相同，所以在評價(jià)凹槽管或者波紋管強(qiáng)化傳熱效果的時候，主要關(guān)心的是相比圓管，其傳熱效率的提高。最初人們以（其中為強(qiáng)化管的努賽爾數(shù)，為圓管的努賽爾

43、數(shù)）為對流傳熱效率的強(qiáng)化指標(biāo)，但是在實(shí)際運(yùn)行中采用強(qiáng)化管所消耗的泵功率也增加，所以又提出了這個評價(jià)指標(biāo)（和）分別為強(qiáng)化管和圓管的阻力系數(shù)），認(rèn)為當(dāng)該比值大于 1 時，強(qiáng)化傳熱才算有效。這種評價(jià)指標(biāo)顯然不是很完善，因?yàn)楹芏嗲闆r下阻力系數(shù)要比努賽爾數(shù)增加的要快，導(dǎo)致該指標(biāo)不能正確體現(xiàn)所有強(qiáng)化管的強(qiáng)化效果；Webb在消耗泵功率相同、換熱面積相同的條件下提出了以光管作為對比的強(qiáng)化管的性能評價(jià)準(zhǔn)則，即等泵功評價(jià)準(zhǔn)則，其表達(dá)式為,比值大于 1，表明具有強(qiáng)化效果，越大效果越明顯，該評價(jià)準(zhǔn)則能反映出大多數(shù)強(qiáng)化管的強(qiáng)化效果，使用范圍較廣3。第2章 流體力學(xué)基礎(chǔ)和數(shù)值模擬簡介2.1 流體力學(xué)基礎(chǔ)2.1.1 流體的

44、基本性質(zhì)（1）流體的壓縮性流體的傳統(tǒng)定義為:能夠流動的物體,按照上述定義,氣體和液體均屬于流體。流體的體積會隨著作用在其上壓強(qiáng)的增大而減小,我們將流體的這一特性稱為流體的壓縮性。通常情況下,我們用壓縮系數(shù)來度量流體的壓縮性。當(dāng)所研究流體的密度為一恒定值時,我們將其認(rèn)定為不可壓縮流體,否則以可壓縮流體處理。在通常情況下,我們認(rèn)為液體是不可壓縮流體,其體積和密度不隨壓強(qiáng)的變化而改變。與之相對的是,氣體的密度和體積與壓強(qiáng)的變化和熱力過程有關(guān)。（2）流體的膨脹性流體的體積會隨著溫度的升高而增大,我們將流體的這一特性稱為流體的膨脹性。通常情況下,我們用膨脹系數(shù)來度量流體的膨脹性強(qiáng)弱。一般來說,氣體的膨脹

45、系數(shù)比較大,液體的膨脹系數(shù)比較小,在做相關(guān)的簡化處理時可以不用考慮液體的膨脹性。（3）流體的粘性在做相對運(yùn)動的兩流體層之間的接觸面上,存在有一對大小相等方向相反的力,其作用是阻礙兩相鄰流體層之間的相對運(yùn)動,我們把流體的這種特性稱為流體的粘性,慣性產(chǎn)生的作用力我們將其稱之為粘性阻力或內(nèi)摩擦力。粘性阻力產(chǎn)生的主要原因是由于分子不規(guī)則運(yùn)動產(chǎn)生的動量交換和分子間存在的相互作用力。當(dāng)流體的粘性系數(shù)比較小,且流體的流動速度也不大時,其產(chǎn)生的粘性阻力相較于系統(tǒng)中存在的其他類型的力(如慣性力)來說是非常小的,往往可以忽略不計(jì),此時,我們可以近似的把流體看成是無黏性的,即無粘流體,也就是我們常說的理想流體;對需

46、要考慮黏性阻力影響的流體,我們將其稱為粘性流體。（4）流體的導(dǎo)熱性當(dāng)流體內(nèi)部或流體與其他介質(zhì)之間存在溫差時,根據(jù)熱力學(xué)第二定律,溫度高的區(qū)域會自發(fā)與溫度低的區(qū)域進(jìn)行熱9交換和傳遞。熱量傳熱有以下三種基本方式:熱傳導(dǎo)、熱對流以及熱輻射。當(dāng)流體在管內(nèi)高速流動時,在緊貼壁面的位置會形成層流底層,流體在該區(qū)域的流速很低,幾乎可以看做為靜止不動,所以流體在該區(qū)域內(nèi)的熱量傳熱方式主要是熱傳導(dǎo),而層流區(qū)以外區(qū)域的熱量傳遞方式主要是熱對流。單位時間通過單位面積由熱傳導(dǎo)所傳遞的熱量可以按傅立葉導(dǎo)熱定律確定: （2-1）上式中,n為面積的法線方向;為沿n方向上的溫度梯度;為導(dǎo)熱系數(shù);負(fù)號“-”表示熱量傳遞方向與溫

47、度梯度方向相反。在通常情況下,流體與固體壁面間的對流換熱量可以用下式表示: （2-2）式中,h為對流換熱系數(shù),與流體的物性、流動狀態(tài)等因素有關(guān),主要通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的經(jīng)驗(yàn)公式來確定。2.1.2 流體運(yùn)動的基本概念（1）定常流動與非定常流動在流場區(qū)域內(nèi)的任意空間點(diǎn)上,所研究流場流體質(zhì)點(diǎn)的所有流動參數(shù),如壓強(qiáng)、速度、密度等都不隨時間的變化而改變,我們將流體的這種流動狀態(tài)稱為定常流動;反之,若流體質(zhì)點(diǎn)的部分或所有流動參數(shù)均隨時間的變化而改變,我們將流體的這種流動狀態(tài)稱為非定常流動。（2）流線與跡線我們常用流線和跡線這兩個名詞來描述所研究流體的流場。流線指的是流體運(yùn)動過程中某一時刻流場中各流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)

48、動方向所連成的曲線,在該曲線上各流體質(zhì)點(diǎn)的速度矢量相切于這條曲線;跡線,顧名思義為流體質(zhì)點(diǎn)的“流動軌跡路線”,其定義為任何一點(diǎn)流體質(zhì)點(diǎn)在流場中的運(yùn)動軌跡,它是所研究流場區(qū)域內(nèi)某一流體質(zhì)點(diǎn)在一段運(yùn)動時間內(nèi)所流過的路徑,指的是流體質(zhì)點(diǎn)在不同運(yùn)動時刻所處位置的連線。當(dāng)流體運(yùn)動狀態(tài)為定常流動時,流體流動狀態(tài)與時間無關(guān),流線不隨時間的變化而改變,流體質(zhì)點(diǎn)留著流線方向運(yùn)動,流體質(zhì)點(diǎn)的流線與跡線重合;而當(dāng)流體處于非定常流動狀態(tài)時,流線與跡線不重合。（3）層流流動與湍流流動流體在光滑壁面管內(nèi)流動時,如果流體的整體流動趨勢是明顯的一層一層流動,并且各流體層之間互不干擾,不出現(xiàn)各流體層混合現(xiàn)象,我們就將流體的上述

49、流動狀態(tài)稱為層流流動;當(dāng)流體的流速逐漸增大時,我們發(fā)現(xiàn),流體質(zhì)點(diǎn)除了有沿管軸線方向水平運(yùn)動的趨勢外,還有沿垂直于管軸線方向垂直運(yùn)動的趨勢,流體所處的這種流動狀態(tài)說明流體之前的層流流動狀態(tài)已經(jīng)被破壞,流體處于無規(guī)則的流動狀態(tài),我們將流體上述流動狀態(tài)稱之為紊流流動或瑞流流動。我們把流體流動狀態(tài)發(fā)生改變時的流動速度稱為流體的臨界速度(流體的臨界速度又可以分為上臨界速度和下臨界速度,且下臨界速度低于上臨界速度)。流體的流動狀態(tài)并不直接取決于流體的臨界速度,而是由反映管道尺寸、流體物理屬性、流體流動速度的組合表達(dá)式-雷諾數(shù)來決定的。雷諾數(shù)Re定義為: （2-3）上式中,為流體的密度;u為流體的平均流速;

50、d為流體管道的直徑,為流體的動力黏性系數(shù)。在工程實(shí)際應(yīng)用中,一般當(dāng)Re<2000時,我們就認(rèn)為流體所處的流動狀態(tài)為層流流動;當(dāng)Re>2000時,我們就可以認(rèn)為流體的流動狀態(tài)為瑞流流動。實(shí)際上,雷諾數(shù)為一個無量綱數(shù),其值反映了慣性力與薪性力之比。雷諾數(shù)較小時,說明流體的點(diǎn)性力相較于慣性力來說比較大,黏性力能夠削弱引起流體紊流流動趨勢的擾動力,從而使流體保持層流流動狀態(tài);而雷諾數(shù)較大,說明慣性力相較于黏性力的來說較大,易使流體質(zhì)點(diǎn)發(fā)生紊流流動5。在流體力學(xué)中,我們經(jīng)常將Nu以及Pr這兩個無量綱數(shù)與Re 起來對流體的流動進(jìn)行分析研究。在對Nu以及Pr做相關(guān)說明之前,先對對流換熱的概念做如

51、下相關(guān)說明:熱量傳遞有三種方式,即我們熟知的熱傳導(dǎo)、熱對流以及熱轄射。熱對流僅能發(fā)生在流體,而且由于流體中的分子同時不停的在做無規(guī)則的熱運(yùn)動,因此熱對流過程必然伴隨著有熱傳導(dǎo)。在工程應(yīng)用中,研究人員特別關(guān)注的是流體流過固體壁面時的熱量傳遞過程,我們將該情形下的熱量傳遞稱為對流換熱,以區(qū)別于一般意義上所說的熱對流。Nu為反映流體對流換熱強(qiáng)度的無量綱數(shù),為對流換熱強(qiáng)弱與導(dǎo)熱傳熱強(qiáng)弱的比值,其定義為: （2-4）上式中,為流體對流換熱系數(shù);為流道特征長度;為流體熱導(dǎo)率。是由流體相關(guān)物性參數(shù)所組成的一個無量綱數(shù),多用來表明溫度邊界層和速度邊界層之間的關(guān)系,其值的大小反映流體物理性質(zhì)對對流換熱過程的影響

52、強(qiáng)弱。其定義為: （2-5）上式中,為運(yùn)動粘度;為熱擴(kuò)散系數(shù);為定壓比熱容。2.2 數(shù)值模擬計(jì)算方法2.2.1 FLUENT 簡介作為CFD軟件包的一種,FLUENT對流體運(yùn)動數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性和專業(yè)性越來越得到研究人員的廣泛認(rèn)可,使其成為國際上非常流行的商用CFD軟件,其在美國的市場占有率超過60%,凡是和流體、熱量傳遞和化學(xué)反應(yīng)等相關(guān)的行業(yè)均可以采用。FLUENT具有豐富的物理模型、先進(jìn)的數(shù)值計(jì)算方法和強(qiáng)大的前后處理器功能,在流體機(jī)械、車輛工程、石油化工和航空航天等相關(guān)方面都有非常廣泛的應(yīng)用。另外,FLUENT還提供有用戶自定義函數(shù)(UDF),可以方便研究人員改進(jìn)和完善所采用的計(jì)算模型,從而

53、可以更加方便的處理個性化的問題。用FLUENT軟件求解問題,一般需要用到三大部分軟件:前處理軟件、求解器、后處理軟件。其中前處理軟件的主要功能是創(chuàng)建研究對象的幾何模型,對幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分操作并設(shè)置相應(yīng)的邊界條件,主要軟件包括GAMBIT、TGrid、prePDF、GeoMesh等。GAMBIT用于幾何模型的創(chuàng)建和相應(yīng)的網(wǎng)格劃分操作,可以生成FLUENT直接使用的網(wǎng)格文件,另外FLUENT還提供各類CAD/CAE軟件包與GAMBIT的接口,這樣就大大增強(qiáng)了前處理器對復(fù)雜幾何模型的建模能力;求解器是FLUENT流體計(jì)算的核心,其主要功能是導(dǎo)入由前處理器或其他CAD/CAE軟件包所生成的網(wǎng)格文件

54、、選擇流體計(jì)算的物理模型、確定材料屬性、施加相應(yīng)的邊界條件、流場初始化、仿真計(jì)算和后處理等;一旦所生成的網(wǎng)格文件成功讀入到FLUENT中,所有剩下的操作都可以在FLUENT里面完成,其中包括選擇流體計(jì)算的物理模型、確定材料屬性、設(shè)置相應(yīng)的邊界條件、流場初始化、仿真求解、根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)一步優(yōu)化網(wǎng)格質(zhì)量、對仿真結(jié)果進(jìn)行相關(guān)的后處理操作等;FLUENT本身附帶有強(qiáng)大的后處理功能,可以進(jìn)行一些圖像顯示、動畫生成、生成計(jì)算報(bào)告等操作。此外,用戶還可以借助專業(yè)的后處理軟件Tecplot或CFD-Post進(jìn)行相關(guān)的后處理操作,不僅可以繪制函數(shù)曲線、二維圖形,還可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行三維面繪圖和三維體繪圖,同時

55、還可以提供多種多樣的圖形格式。當(dāng)遇到一個需要用FLUENT求解的流體問題時,我們需要按照一定的思路對所要求解的問題進(jìn)行分析,制定出相應(yīng)的求解方案。FLUENT的求解思路一般分為以下幾步:(1)確定計(jì)算目標(biāo)確定通過FLUENT仿真需要得到什么樣的結(jié)果,如何得到這些結(jié)果,這些結(jié)果需要采用什么樣的精度設(shè)置;(2)選擇計(jì)算區(qū)域?qū)λ獢?shù)值模擬的整個物理模型系統(tǒng)進(jìn)行抽象概括和相應(yīng)的簡化處理操作,確定出計(jì)算區(qū)域具體包括哪些區(qū)域,在模型計(jì)算區(qū)域的邊界上需要使用什么樣的邊界條件,幾何模型需要采用二維處理還是三維處理,哪些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)最適合所要研究的對象;(3)選擇物理模型由于FLUENT中每一種具體的物理模型都有其

56、相關(guān)的參數(shù)設(shè)置,所以在進(jìn)行數(shù)值模擬前,我們需要考慮好選擇什么樣的物理模型;(4)決定求解過程我們需要確定所要研究的對象是否可以直接利用FLUENT現(xiàn)有的計(jì)算公式和算法求解,是否還需要我們提供其它一些相關(guān)的參數(shù),是否可以通過修改一些相關(guān)的參數(shù)設(shè)置來使數(shù)值仿真更快收斂。在分析完上面四個方面的問題以后,我們就可以對FLUENT的整體計(jì)算過程有一個清晰認(rèn)識,這樣就可以較正確的開始使用FLUENT進(jìn)行數(shù)值仿真了6。2.2.2 數(shù)值模擬思想與理論在科技發(fā)達(dá)的今天，產(chǎn)品的研發(fā)具有快節(jié)奏的特點(diǎn)，強(qiáng)大的數(shù)值仿真技術(shù)已成為提高競爭力的關(guān)鍵因素之一。仿真的價(jià)值不僅僅是能夠引導(dǎo)設(shè)計(jì)，而且能夠用來開發(fā)探索那些新穎的，富

57、有創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)思路。在對流傳熱問題的研究中，數(shù)值計(jì)算方法已經(jīng)得到的長期的使用，其可靠性較好，數(shù)值結(jié)果貼近實(shí)際，能幫助我們精確分析研究中的關(guān)鍵影響因素，并能給出優(yōu)化的設(shè)計(jì)建議。本文利用 Fluent 軟件對相同管徑的光滑圓管與波紋管，和相同管徑的凹槽管與光滑圓管管內(nèi)流體的流動狀態(tài)和特性進(jìn)行數(shù)值研究?，F(xiàn)實(shí)的世界中，流體流過固體表面發(fā)生的對流傳熱在時間和空間上都具有連續(xù)性，在數(shù)學(xué)上我們描述各種流體流動與傳熱現(xiàn)象時采用的是偏微分方程加上各種邊界條件的形式，雖然在數(shù)學(xué)上已經(jīng)有了不少解析解，但是對于絕大部分工程應(yīng)用，常采用數(shù)值分析的方法得到實(shí)際問題的近似解。數(shù)值傳熱學(xué)的基本思想就是：把時間和空間上連續(xù)的物理場離散化，用有限離散點(diǎn)處的變量值的集合來近似替代，通過離散方程建立離散點(diǎn)上各個變量之間的關(guān)系，然后求解代數(shù)方