脈動流場對波壁管內(nèi)流體的傳熱及阻力的影響

收稿日期：2019-05-14；修訂日期：2019-06-14作者簡介：張亮（1983-），男，山東淄博人，燕山大學講師，zhangliang402@脈動流場對波壁管內(nèi)流體的傳熱及阻力的影響張亮1，孫志強1，田林超1，陳賀敏*2（1.燕山大學車輛與能源學院，河北秦皇島066004；2.燕山大學信息科學與工程學院，河北秦皇島066004）摘要:為了解決換熱器、發(fā)動機等設備熱質傳遞效率低的問題，采用數(shù)值模擬和實驗相結合的方法，入口速度設為具有正弦脈動特點的非定常邊界、流體溫度設為348K；出口速度設為自由出口、壁面溫度設為298K、忽略管壁傳熱熱阻；對Re=600時波壁管內(nèi)流體的傳熱和阻力特性進行研究，分析了不同時刻下管內(nèi)流體的速度場和溫度場,以及努塞爾數(shù)Nu和摩擦系數(shù)的變化規(guī)律,將定常和脈動流場下流體的傳熱及流動特性進行了對比。結果表明:脈動流場下波壁管內(nèi)流體的換熱效果較定常流場差異明顯，在振動分率P=1.5，斯德魯哈爾數(shù)st=2.8時，脈動流場較定常流場的Nu增幅達34%，而在P=0.5，Re=400時，脈動流場較定常流場的Nu增幅達55%；脈動流動下，摩擦系數(shù)呈現(xiàn)正弦規(guī)律；在瞬時雷諾數(shù)Re時，脈動流場下的平均摩擦系數(shù)與定常流場相比差別不大，但瞬時摩擦系數(shù)差異顯著。關鍵詞：波壁管；流場；Fluent；強化傳熱；摩擦系數(shù)TheInfluenceofPulsatingFlowFieldontheHeatTransferandResistanceoftheFluidintheWave-WallTubeZHANGLiang1，SUNZhi-qiang1，TIANLin-chao1，CHENHe-min2（1.CollegeofVehiclesandEnergy，YanshanUniversity，Qinhuangdao,Hebei,China,PostCode:066000；2.SchoolofInformationScienceandEngineering，YanshanUniversity，Qinhuangdao,Hebei,China,PostCode:066000）Abstract:Inordertosolvetheproblemoflowheatandmasstransferefficiencyofequipmentsuchasheatexchangeandengine,themethodofcombiningnumericalsimulationandexperimentwasadopted.Theinletvelocitywassetastheunsteadyboundarywithsinusoidalpulsation,andthefluidtemperaturewassetas348K.Theoutletvelocitywassetasthefreeoutlet,thewalltemperaturewassetas298K,andwallheattransferresistancewasignored.TheheattransferandresistancecharacteristicsofthefluidinthewavewalltubeatRe=600werestudied,andthevelocityandtemperaturefieldsofthefluidinthetubeatdifferentmoments,aswellasthechangingrulesofthenusselnumberNuandthefrictioncoefficientwereanalyzed.Theheattransferandflowcharacteristicsofthefluidinthesteadyandpulsatingflowfieldswerecompared.Theresultsshowedthattheheattransfereffectofthefluidinthewavewalltubewassignificantlydifferentfromthatinthesteadyflowfieldunderthepulsatingflowfield.WiththevibrationfractionP=1.5andthenumberSt=2.8,theNuofpulsedflowfieldwasincreasedby34%,whilewithP=0.5andRe=400,theNuofpulsedflowfieldwasincreasedby55%comparedtothatwiththesteadyflowfield.Underpulsatingflow,itwasfoundthatthefrictioncoefficientwassinusoidalunderpulsatingflow.WhentheinstantaneousReynoldsnumberisRe,theaveragefrictioncoefficientofpulsatingflowfieldhadlittledifferencewiththatofsteadyflowfield,buttheinstantaneousfrictioncoefficienthadsignificantdifference.Keywords:wave-walltube,theflowfield,fluent,enhancedheattransfer,thecoefficientoffriction引言低溫制冷機在空間、軍事等領域內(nèi)廣泛應用。制冷機的運行通常伴隨著工質在通道中的周期性運動，為了更好地設計制冷機，必須準確預測部件或工質在周期性運動過程中的傳熱和壓力。文獻[1-2]研究了振動和脈動流場下的熱質傳遞和流動特性，文獻[3-5]對水滴形管、扭曲橢圓管等不同截面形狀的異形管內(nèi)流體傳熱及流動特性進行研究，對比發(fā)現(xiàn)，波壁管具有結構簡單、易產(chǎn)生流動分離、可減輕溫度應力對熱管的破壞、能獨立支撐等優(yōu)勢。由于脈動流場具有強化流動分離的特點，一些學者對脈動流場下流體的熱質傳遞及流動特性進行了探索。Nishimura等人[6]對三維正弦波壁流路進行了相應的實驗研究，發(fā)現(xiàn)當雷諾數(shù)超過某臨界值時，流路中出現(xiàn)不穩(wěn)定流動，但該不穩(wěn)定流動與二維波壁通道內(nèi)所產(chǎn)生的T-S波不同，三維流路中呈現(xiàn)出一種間歇非周期性的流動現(xiàn)象，此流動被定義為類似層流流動和類似湍流。Mackley等人[7]研究了脈動流場下軸對稱障礙管中的質量傳遞，發(fā)現(xiàn)加障礙管至光滑管內(nèi)可以導致流體混合與熱量傳遞的顯著增強，而且振幅和振動頻率對熱量傳遞過程產(chǎn)生較大影響。Lee等人[8]通過數(shù)值研究發(fā)現(xiàn)，在脈動流場下波壁管內(nèi)流體的質量傳遞速率隨雷諾數(shù)的增加而增大；在某一恒定雷諾數(shù)下存在一個最佳St數(shù)，該St數(shù)并非固定不變，而是隨雷諾數(shù)的增加而緩慢減小。Bian等人[9]對波壁管內(nèi)無反向流的脈動流場的研究結果表明，最優(yōu)質量傳遞強化發(fā)生在凈流動即將進入過渡流之前，同時發(fā)現(xiàn)最優(yōu)St數(shù)隨流量的振動分率P呈線性變化。楊衛(wèi)衛(wèi)等人[10]對平直通道中不可壓縮流體的脈動流動進行數(shù)值模擬。當脈動頻率較低時，充分發(fā)展的震蕩速度分布類似于穩(wěn)態(tài)的拋物線分布，脈動的影響主要體現(xiàn)在靠近壁面的狹窄區(qū)域內(nèi)，還發(fā)現(xiàn)在脈動流動下，壁面摩擦系數(shù)的變化趨勢呈現(xiàn)正弦規(guī)律，其相位和振幅與脈動頻率有關；脈動對于壁面的換熱也有一定影響，隨著頻率的增大，流體的脈動對于換熱的影響逐漸被局限在加熱段上游。Lee[11]研究了脈動流動對波紋通道中流體的摻混和傳質效果的強化作用。脈動流場下流體的傳熱及阻力較定常流場有明顯差異，雖然前人對脈動流場下二維通道中的傳熱傳質進行了大量研究，但脈動流場下流體在波壁管內(nèi)的傳熱及阻力方面還未進行系統(tǒng)研究，本文研究脈動流場對波壁管內(nèi)流體傳熱及阻力的影響。1數(shù)值模擬1.1物理模型脈動周期定義為T(s)；脈動入口流速定義為：(1)式中，Re為雷諾數(shù)；St為斯德魯哈爾數(shù)；P為振動分率；Dmax為波壁管最大直徑，mm；ρ為流體密度，kg/cm3；μ為流體粘度，pa/s；t為時間，s；1.2數(shù)學模型波壁管結構示意圖（來源于實驗室實體試驗測試段）如圖1所示，波長=14mm，波幅A=3.5mm，最大直徑Dmax=10mm，總長L=224mm，最小直徑Dmm=3mm。圖1波壁管結構示意圖Fig.1Schematicdiagramofwave-walltube1.3邊界條件及網(wǎng)格劃分在模型計算過程中，做出如下假設：流體的物性參數(shù)不隨溫度及壓力的變化而變化；換熱過程中，不考慮壁面厚度及粗糙度的影響。邊界條件設置：水為工質，入口定義為非定常邊界條件，入口截面上的速度定義為正弦脈動速度；流體溫度設為348K；出口設為自由速度出口邊界條件；壁面溫度定為298K；忽略管壁傳熱熱阻。當Re>236時，波壁管內(nèi)流體流動狀態(tài)由層流過渡為湍流，故當Re=600時，波壁管內(nèi)的流動為湍流狀態(tài)，故需采用湍流模型[12]。求解器采用基于壓力的隱式求解器，采用Couple算法使壓力與速度耦合，湍流模型采用RNGk~ε兩方程模型[13]。采用RNGk~ε模型、標準k~ε、可實現(xiàn)k~ε湍流模型在t/T（周期）=0.25的數(shù)值模擬和實驗結果的對比。發(fā)現(xiàn)在RNGk~ε模型下計算結果與可視化的實驗結果基本吻合，如圖2所示，這驗證了所采用的計算模型和計算方法的正確性，所以湍流模型采用RNGk~ε兩方程模型。由于波壁管幾何外形曲率變化較大，使得管內(nèi)流體流場變化劇烈，因此，網(wǎng)格類型選用適應大梯度流場的四面體混合非結構性網(wǎng)格，并對不同幾何模型分別進行網(wǎng)格劃分，考慮計算周期及計算設備等因素進行網(wǎng)格無關性驗證，為進行網(wǎng)格無關性驗證，對λ=14mm、A=3.5mm的波壁管劃分4組不同數(shù)量的網(wǎng)格分別進行計算，得到波壁管的表面對流換熱系數(shù)隨網(wǎng)格數(shù)量的變化規(guī)律如圖3所示。最后一組網(wǎng)格對流換熱系數(shù)計算結果誤差在6%以內(nèi)，綜合考慮計算周期及計算精度，將網(wǎng)格數(shù)量控制在15×104左右。RNGk~ε標準k~ε可實現(xiàn)k~ε圖2t=0.25時不同湍流模型數(shù)值模擬和實驗結果對比Fig.2Resultcomparisonbetweensimulationswithdifferentturbulencemodelsandexperimentatt=0.25圖3網(wǎng)格無關性驗證Fig.3Gridindependenceverification2結果及分析2.1速度場波壁管管型易引起流動分離，產(chǎn)生漩渦。由于脈動流場可通過增強流體間質量傳遞的方式來增強流體傳熱能力，故其流動結構與定常流場相比完全不同。采用數(shù)值模擬和實驗的方法分別對不同流場下波壁管內(nèi)流體流動分離的現(xiàn)象進行分析。圖4和圖5分別給出了Re=600時定常流場和St=0.5，P=0.5，Re=600時脈動流場下波壁管內(nèi)的流場，對比發(fā)現(xiàn)，脈動流場下的流型與定常流場下相比明顯不同。定常流場下流體流型處于穩(wěn)定狀態(tài)，而脈動流場下一個脈動周期內(nèi)的部分時刻流體流型呈現(xiàn)出不穩(wěn)定狀態(tài)。在脈動流場的加速區(qū)間內(nèi)t=0-1/4T，流體處于穩(wěn)定狀態(tài)；在位于減速區(qū)間t=3/8T-7/8T時，流體處于不穩(wěn)定狀態(tài)。速度(m/s)圖4波壁管內(nèi)定常流場Fig.4Steadystateflowfieldinsidethewave-walltube速度(m/s)(a)t=0(b)t=1/8T(c)t=1/4T(d)t=3/8T(e)t=1/2T(f)t=5/8T(g)t=3/4T(h)t=7/8T圖5波壁管內(nèi)脈動流場Fig.5Pulsatingflowfieldinsidethewave-walltube2.2溫度場流體傳熱效果不僅與流體的流速、流體與壁面之間的溫差以及流體的物性參數(shù)有關，還與速度場和溫度梯度場間的協(xié)同程度有關。從圖5可明顯看出，脈動狀態(tài)下波壁管內(nèi)流體流場的變化，改善了速度場與溫度梯度場間的協(xié)同程度，進而強化了傳熱。圖6和圖7分別為定常流場和脈動流場下波壁管內(nèi)的流體的溫度場。從圖中可知，定常流場下波壁管內(nèi)流體的平均溫度較高，其流動結構與脈動流場相比不利于波壁管中流體的散熱；在脈動流動下，主流區(qū)域溫度較高的流體易與溫度較低流體迅速混合，從而起到強化傳熱的效果；同時發(fā)現(xiàn)，在一個脈動周期的減速區(qū)域內(nèi)t=3/4T時，波壁管內(nèi)流體的平均溫度最低，而在一個脈動周期的加速區(qū)域內(nèi)t=0時刻流體的平均溫度最高。溫度(K)圖6波壁管內(nèi)定常流場下的溫度場Fig.6Temperatureofsteadystateflowinsidethewave-walltube溫度(K)(a)t=0(b)t=1/8T(c)t=1/4T(d)t=3/8T(e)t=1/2T(f)t=5/8T(g)t=3/4T(h)t=7/8T圖7波壁管內(nèi)脈動流場下的溫度場Fig.7Temperatureofpulsatingflowinsidethewave-walltube2.3努塞爾數(shù)努賽爾數(shù)既表示對流換熱強度的一個準數(shù)，又是流體層導熱阻力對流傳熱阻力之比。為對比穩(wěn)態(tài)與脈動流場下流體的換熱和流動特性，引入無量綱傳熱強化系數(shù)Eh。(2)式中，—一個脈動周期內(nèi)的平均數(shù)，—相應穩(wěn)態(tài)時的數(shù)[14]。穩(wěn)態(tài)時Nu=39.40，圖8為Re=600，P=0.5，st=0.5時,一個周期內(nèi)Nu的變化。脈動參數(shù)對傳熱強化系數(shù)Eh的影響如圖9所示。圖9（a）為Re=600時，不同脈動振幅P下St對Eh的影響。從圖中可以看出，脈動流場強化了波壁管內(nèi)流體的傳熱，隨著脈動振幅P的增大，傳熱強化效果小幅增加。此外，隨著St的增大，換熱效果整體增強。圖8一個周期內(nèi)Nu變化曲線脈動振幅P（b）雷諾數(shù)Re圖9脈動參數(shù)對傳熱強化系數(shù)的影響Fig.9Effectofpulsationparametersontheenhancedheattransfercoefficient圖9（b）為P=0.5時，不同Re下St對Eh的影響。由圖可知，隨著Re的增大，強化效果明顯減弱，且隨著St的增加，傳熱強化效果急劇下降。這是由于在此區(qū)域內(nèi)，波壁管波峰內(nèi)形成較大渦量的漩渦，此時管內(nèi)流體的熱量傳遞方式主要為渦量擴散。在渦量擴散的影響下，雖然熱量可迅速向低溫區(qū)域擴散，但在較大Re時，定常流場下流傳熱效果較好，壓縮了脈動流場引起的傳熱強化提升空間，從而導致傳熱強化系數(shù)的降低。2.4摩擦系數(shù)強化傳熱不應以摩擦系數(shù)大幅增加為代價。因此，需對摩擦系數(shù)進行系統(tǒng)分析。計算不同工況下波壁管進出口面的平均壓力和流體平均速度，將計算值代入摩擦系數(shù)公式： (3)式中：△P—進出口面壓力，pa；u—平均流速,m/s。圖10為穩(wěn)態(tài)及Re=600，P=0.5時,一個周期內(nèi)St對摩擦系數(shù)的影響。隨著St的增加，摩擦系數(shù)f幾乎沒有變化，摩擦系數(shù)呈正弦規(guī)律變化。脈動流場下瞬時摩擦系數(shù)與定常流場相比差異較大，但是周期平均摩擦系數(shù)與定常流場相比幾乎沒有明顯差距。圖10St數(shù)對摩擦系數(shù)f的影響Fig.10EffectofStnumberonthefrictioncoefficientf3結論(l)脈動流場下，波壁管內(nèi)流體的流場和溫度場與定常流場相比有明顯差異，脈動流場增加了波壁管內(nèi)流體的渦量強度，進而加速了波壁管中冷熱流體的混合,最終強化了波壁管內(nèi)流體的傳熱。(2)脈動流動下，脈動參數(shù)Re、P及St對傳熱效果均有較大影響，傳熱效果的強化幅度隨Re的增大而降低，隨P的增大而小幅上升，在振動分率P=1.5，St=2.8時，脈動流場較定常流場的Nu增幅達34%，而在P=0.5，Re=400時，脈動流場較定常流場的Nu增幅達55%。(3)脈動流動下，摩擦系數(shù)和NU均呈現(xiàn)正弦規(guī)律，在0.25T時瞬時摩擦系數(shù)和NU達到最大，0.75T時為最小。參考文獻[1]ZHAOTS,CHENGP.Anumericalsolutionoflaminarforcedconvectioninaheatedpipesubjectedtoareciprocat-ingflow[J].IntJHeatMassTransfer,1995,38(16):3011-3022.[2]ZHAOTS,CHENGP.Thefrictioncoefficientofafullydevelopedlaminarreciprocatingflowinacircularpipe[J].IntJHeatandFluidFlow,1996,17(2):167-172.[3]吳軒,趙伶玲,高騰.水滴形管換熱與阻力特性的數(shù)值研究[J].熱能動力工程,2018(12):30-35WUXuan,ZHAOLing-ling,GAOTeng.NumericalSimulationontheHeatExchangeandFlowResistanceofWaterDrop-shapedTube[J].JournalofEngineeringforThermalEnergyandPower,2018(12):30-35.[4]劉希女,楊永安,鄒同華,等.叉排橢圓管強迫對流換熱的數(shù)值模擬[J].制冷與空調，2004(1):16一19.LIUXi-nv,YANGYong-an,ZOUTong-hua,etal.Numericalstudyofstaggeredelliptictubesinforcedconvection[J].RefrigerationandAir-condition,2004(1):16一19.[5]吳私,李春蘭,王森.橢圓管換熱器殼程傳熱與壓降性能對比研究[J].化工機械,2015(4):472-475.WUSi,LIChun-lan,WANGSen.Comparativeresearchofperformanceofshellheattransferandpressuredropofellipticaltubeheatexchanger[J].ChemicalEngineeringandMachinery,2015(4):472-475.[6]NISHIMURAT，BIANYN,MASUMOTOY,etal.Fluidflowandmasstransfercharacteristicsinasinusoidalwavy-walledtubeatmoderateReynoldsnumbersforsteadyflow[J].HeatandMassTransfer,2003,39:239-248.[7]MACKLEYMR,STONESTREETP.Heattransferandassociatedenergydissipationforflowinbaffledtubes[J].Chem.Eng.Sci.，1995,50:2211-2224.[8]LEEBS,KANGIS,LIMHC.Chaoticmixingandmasstransferenhancementbypulsatilelaminarflowinanaxisymmetricwavychannel[J].Int.J.HeatMassTransfer,1999,42:2571-2581.[9]BIANYN,NISHIMURAT,KUNITSUGUK.Masstransferenhancementinawavy-walltubebyimposedfluidoscillation[J].FluidMechanicsandTransportPhenomena,2003,50:762-770.[10]楊衛(wèi)衛(wèi),何雅玲,徐超等.平直通道中層流脈動流動的數(shù)值模擬[J].西安交通大學學報,2004,38(9):925-928.YANG