套管換熱器湍流對(duì)流換熱的數(shù)值模擬

套管換熱器湍流對(duì)流換熱的數(shù)值模擬1.俞接成1.吳小華2.劉全摘要：為了獲得換熱器中強(qiáng)化換熱管對(duì)換熱性能的綜合影響，筆者運(yùn)用FLUENT軟件，采用二維軸對(duì)稱方法和K一￡模型對(duì)套管換熱器的整體進(jìn)行了數(shù)值模擬。分別模擬了光管和波紋管套管換熱器在湍流情況下的換熱性能。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明：光管套管換熱器的總傳熱系數(shù)K的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果吻合很好；與光管相比，在相同流動(dòng)條件下波紋管可提高總傳熱系數(shù)120,但隨著Re增大，其影響逐漸減小。關(guān)鍵詞：套管換熱器；波紋管；數(shù)值模擬；強(qiáng)化換熱隨著能源的日益緊張，人們對(duì)強(qiáng)化換熱的研究日益重視。套管換熱器是進(jìn)行強(qiáng)化換熱管性能實(shí)驗(yàn)研究的主要實(shí)驗(yàn)裝置，許多強(qiáng)化換熱管的強(qiáng)化換熱性能都是利用套管換熱器來進(jìn)行的。隨著計(jì)算機(jī)硬件、計(jì)算流體力學(xué)和計(jì)算傳熱學(xué)的不斷發(fā)展，數(shù)值模擬已經(jīng)成為傳熱學(xué)研究的一種重要方法。在強(qiáng)化傳熱管研究方面，數(shù)值模擬也被廣泛應(yīng)用。但在研究中，普遍的做法是取換熱管的一部分，將其設(shè)置為等壁溫或等熱流邊界條件，然后按流動(dòng)與傳熱均已充分發(fā)展的情況來進(jìn)行模擬。這樣處理將無法考慮進(jìn)口段對(duì)換熱的影響，而且不能獲得強(qiáng)化換熱管對(duì)管外流體流動(dòng)和換熱的影響。如果能對(duì)整個(gè)套管換熱器進(jìn)行模擬，則可以獲得強(qiáng)化換熱管的整體換熱性能，與實(shí)際的實(shí)驗(yàn)工況更為接近。目前尚未檢索到有關(guān)對(duì)整個(gè)套管換熱器進(jìn)行數(shù)值模擬的文獻(xiàn)報(bào)道。筆者將嘗試采用二維軸對(duì)稱方法，應(yīng)用FLUENT軟件對(duì)在湍流情況下的整個(gè)套管換熱器的對(duì)流換熱情況進(jìn)行數(shù)值模擬。由于FLU—ENT軟件中有多種湍流模型可供選擇，首先模擬了光管充分發(fā)展湍流、等壁溫條件下的努塞爾數(shù)和摩擦系數(shù)，并將數(shù)值計(jì)算結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行比較，以確定合適的湍流模型和FLUENT軟件的其他選項(xiàng)。然后再對(duì)光管套管換熱器的換熱性能進(jìn)行數(shù)值模擬，比較總傳熱系數(shù)K的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果。在此基礎(chǔ)上對(duì)波紋管套管換熱器非換熱性能進(jìn)行模擬，并將其與光管套管換熱器的總傳熱系數(shù)進(jìn)行對(duì)比，分析波紋管對(duì)總傳熱系數(shù)K的影響。物理模型和邊界條件湍流模型的選擇在FLUENT軟件中，有多種湍流模型可供選擇，如志K一￡湍流模型、雷諾應(yīng)力模型(RSM)等，為確定合適的湍流模型FLUENT軟件中的選項(xiàng)，首先模擬了以水為介質(zhì)、等壁溫?zé)徇吔纭⒅睆綖?0mm的光管在充分發(fā)展湍流情況下的對(duì)流換熱問題，假定水為常物性，其物性參數(shù)引用FLUENT數(shù)據(jù)庫中的值。分別模擬了雷諾數(shù)Re分別等于1萬、2萬、4萬、6萬、8萬和10萬六種流動(dòng)情況，并將數(shù)值模擬所獲得的摩擦系數(shù)f和努塞爾數(shù)Nu與經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行比較：結(jié)果表明：當(dāng)選用標(biāo)準(zhǔn)K一￡湍流模型，并選擇強(qiáng)化壁面處理方式的模擬結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式最吻合，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與經(jīng)典經(jīng)驗(yàn)公式的對(duì)比如圖1所示。在Re較小(Re=lX104)時(shí)的誤差相對(duì)較大，摩擦系數(shù)f和努塞爾數(shù)Nu的最大誤差分別為8.94和9.85，其他Re下的數(shù)值模擬結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式的誤差較小。在后面對(duì)套管換熱器的模擬中將采用標(biāo)準(zhǔn)K一￡湍流模型并選擇強(qiáng)化壁面處理方式進(jìn)行模擬。

6005(Ki300O.W20.0280.02400207加0-004-■—ill經(jīng)驗(yàn)處式(可計(jì)算6005(Ki300O.W20.0280.02400207加0-004-■—ill經(jīng)驗(yàn)處式(可計(jì)算Y1救值汁律結(jié)果0000^0.012o.ooy亠由經(jīng)驗(yàn)登式門)計(jì)好-■-數(shù)值計(jì)算結(jié)果3 4 5 63 4 5 6脳/LOW?物理模型和邊界條件采用二維軸對(duì)稱方法對(duì)套管換熱器進(jìn)行模擬，分別模擬了光管和波紋管兩種情況，其中換熱管的長度為2m,套管的直徑為40mm,光管直徑為20mm,波紋管的結(jié)構(gòu)尺寸如圖2所示。應(yīng)用GAMBIT軟件對(duì)套管換熱器進(jìn)行建模和網(wǎng)格劃分,不考慮壁厚的影響,整個(gè)套管換熱器共劃分了16萬個(gè)網(wǎng)格，設(shè)置了管內(nèi)和環(huán)形空問兩個(gè)流動(dòng)區(qū)域，在FLUENT軟件中可分別設(shè)置為不同的介質(zhì),在本文中均設(shè)為水,并假定是常物性,管內(nèi)和套管的流動(dòng)為逆流。其他的邊界條件為：套管壁面絕熱,光管或波紋管的壁面設(shè)為耦合條件,管內(nèi)或環(huán)形空間的人口設(shè)為質(zhì)量流量人口，流量大小根據(jù)計(jì)算的雷諾數(shù)Re進(jìn)行確定，模擬了管內(nèi)和環(huán)形空間的雷諾數(shù)相等，并分別等于l萬、2萬、4萬、6萬、8萬和10萬六種工況，管內(nèi)人口溫度設(shè)為350K,套管的人口溫度設(shè)為300K。出口均設(shè)為壓力出口條件。數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析3.1光管套管換熱器當(dāng)內(nèi)管為光管時(shí)，總對(duì)流換熱系數(shù)K1可分別由數(shù)值模擬和經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算獲得。由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算時(shí)，先由公式⑴計(jì)算管內(nèi)和管外的努塞爾數(shù)Nu,進(jìn)而由式⑶和式(4)計(jì)算K1,根據(jù)數(shù)值模擬時(shí)所作的簡化，不考慮壁面熱阻和污垢熱阻。數(shù)值模擬時(shí)，由FIUENT軟件求得內(nèi)管壁面的換熱量Q和內(nèi)管套管的出口體平均溫度,求出對(duì)數(shù)平均溫差A(yù)tm,然后由傳熱方程式(5)計(jì)算總傳熱系數(shù)K2：六種工況總傳熱系數(shù)的數(shù)值計(jì)算結(jié)果和由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果的比較如圖3所示，從圖3中可以看出，光管套管換熱器的總傳熱系數(shù)的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式非常吻合，最大誤差為8．77，因此運(yùn)用FIUENT軟件，采用二維軸對(duì)稱方法對(duì)光管套管換熱器進(jìn)行數(shù)值模擬完全能滿足工程要求，為進(jìn)一步應(yīng)用數(shù)值模擬方法研究強(qiáng)化換熱管的整體換熱性能提供了保障，克服了以往的數(shù)值計(jì)算中只考慮對(duì)管內(nèi)換熱性能的研究而忽略強(qiáng)化傳熱管對(duì)管外流體流動(dòng)和換熱的影響。波紋管套管換熱器用FIUENT軟件對(duì)長2m、結(jié)構(gòu)尺寸如圖2所示的波紋管代替光管的套管換熱器進(jìn)行了數(shù)值模擬，F(xiàn)IUEN中的各項(xiàng)設(shè)置、模擬工況以及數(shù)據(jù)處理方法與模擬光管時(shí)相同，在各工況下波紋管套管換熱器的總傳熱系數(shù)Kc與光管套管換熱器的總傳熱系數(shù)Ks的比值Kc/Ks如圖圖3光晉音管換熱需K時(shí)數(shù)值計(jì)算從圖4圖3光晉音管換熱需K時(shí)數(shù)值計(jì)算從圖4中可以看出，對(duì)于同樣尺寸的波紋管在小雷諾數(shù)時(shí)，對(duì)換熱的強(qiáng)化比較顯著，如在Re=lX104時(shí)，相對(duì)與光管，波紋管套管換熱器的總傳熱系數(shù)提高了120%，但隨著雷諾4波紋管套管換癌器與尺￡的關(guān)爲(wèi)數(shù)的增大，對(duì)總傳熱系數(shù)的影響逐漸減小，如當(dāng)Re三6X104后，波紋管對(duì)總傳熱系數(shù)的提高不超過30%，并趨于穩(wěn)定。圖5是Re=20000時(shí)，x=1m處波紋管套管換熱器管內(nèi)和管外流體流動(dòng)的流線圖，從圖5可以看出，波紋管同時(shí)影響管內(nèi)和管外流體的流動(dòng)，在管內(nèi)和管外同時(shí)形成漩渦，從而使換熱得到強(qiáng)化。0圖0.0200.010Re=2Q0圖0.0200.010Re=2Q000tj=1m處的流線圖結(jié)論運(yùn)用FLUENT軟件，采用二維軸對(duì)稱方法和標(biāo)準(zhǔn)K一s湍流模型對(duì)湍流情況下2m長的光管和波紋管套管換熱器的對(duì)流換熱情況進(jìn)行了數(shù)值模擬，并在近壁面選擇強(qiáng)化壁面處理方式。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明：光管套管換熱器的總傳熱系數(shù)K的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果吻合很好，最大誤差為8.77%，表明運(yùn)用FLUENT對(duì)套管換熱器的數(shù)值模擬方法可行；與光管相比，在相同流動(dòng)條件下波紋管可提高總傳熱系數(shù)120%，但隨著Re增大，其影響逐漸減小，其強(qiáng)化程度不超過30%。通過對(duì)套管換熱器的整體模擬，可獲得強(qiáng)化換熱管對(duì)管內(nèi)和管外換熱性能的綜合影響。參考文獻(xiàn)陶文銓?計(jì)算傳熱學(xué)的近代進(jìn)展[M].北京：科學(xué)出版社，2001.孟繼安，李志信，過增元，等.螺旋扭曲橢圓管層流換熱與流阻特性模擬分析EJ].工程熱物理學(xué)報(bào)，2002,23(增刊)：117-120.⑶孟繼安，李志信，過增元?不連續(xù)雙斜向內(nèi)肋強(qiáng)化換熱管性能EJ].化工學(xué)報(bào)，2005,56(6)：995—998.[4]金志浩，王關(guān)晴，劉潔，等?波紋板內(nèi)流體流動(dòng)特性的數(shù)值模擬[J].水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展A，2004，19(