-螺纹换热管

研究生课程论文(2012-2013学年第二学期)螺纹换热管数值模拟与分析摘要：利用数值模拟方法，考察单个螺纹换热管不同结构形式时流道内的换热特点，计算得到压力、速度、湍动能、湍流强度、温度等分布云图并做分析。流体流过螺纹管时受到螺纹槽的影响，使流动受到扰动，在提高热交换的同时也会产生较大的能量损失，计算比较模型的能量损失。关键词：螺纹换热管；数值模拟；换热特点；能量损失换热管是换热器的元件之一，置于筒体之内，用于两介质之间热量的交换。除光滑管外，换热器还可采用各种各样的强化传热管，如翅片管、螺纹管、螺旋槽管等。当管内直径两侧给热系数相差较大时，翅片管的翅片应布置在给热系数低的一侧。常用材料有碳素钢、低合金钢、不锈钢、铜、铜镍合金、铝合金、钛等。此外还有一些非金属材料，如石墨、陶瓷、聚四氟乙烯等。设计时应该根据工作压力、温度和介质腐蚀性等选用合适的材料。采用小管径时，可使单位体积的传热面积增大、结构紧凑、金属耗量减少、传热系数提高。但小管径流体阻力大，不便清洗，易结构堵塞。一般大直径管子用于粘性大或污浊的流体，小直径管子用于较清洁的流体。螺纹管又称低肋管，主要是靠管外肋化扩大传热面积，一般用于管内给热系数比管外给热系数大1倍以上的场合。对于管外冷凝及沸腾，由于表面张力作用，也有较好的强化作用，如下图1所示。图1螺纹换热管由于进行实验研究具有周期长，耗时费力的缺点，而数值模拟方法具有方便、灵活，研究和开发周期相对较短，费用较低、限制减少等优点。因此本文利用数值模拟方法，考察单个螺纹换热管不同结构形式时流道内的换热特点。流体流过螺旋槽纹管时受到螺旋槽的影响，使流动受到扰动，在贴近壁面处产生较强的涡流，因而在提高热交换的同时也会产生较大的能量损失。1理论基础数值模拟方法遵循质量守恒、动量守恒和能量守恒这三个基本规律，其理论基础可以用以下方程式表示。连续性方程：动量方程：能量方程：对于这类的流动损失，可将其看作一个较长的管道，则由达西公式得到沿程阻力系数表达式为λ=D2ΔpρVin2DL式中𝜟p为螺纹管两端的压差，𝛒为流体的密度。对于水力光滑管来说。在5000Re30000范围内有勃拉休斯公式λ=0.3164Re0.25将上述式子计算的结果对比，可判断螺纹换热管的流动阻力特性。对于水力光滑管道，传热经验公式为=0.03Re0.0.0度水=.0对于槽纹管，有=16D⁄⁄D⁄0.5Re10⁄0..5D⁄0.2物理模型和数学描述本文采用有限元分析软件FLUENT软件，以三种不同螺纹结构的换热管作为模拟对象，考察换热管流道中的流体流动和传热特性，以及比较某一类型的螺纹换热管和光滑换热管的。本文的模型尺寸分别采用（1）光滑换热管，管道长Lo=200mm，管径D=20mm（2）螺纹换热管，管道长Lo=200mm，螺纹槽段长L=100mm，管径D=20mm，螺纹槽螺距T=5mm，螺旋槽的深度a=2mm，宽度b=2mm。（3）螺纹换热管，管道长Lo=200mm，螺纹槽段长L=100mm，管径D=20mm，螺纹槽螺距T=5mm，螺旋槽的深度a=2mm，宽度b=1mm。换热管的材料选用铜铝合金，流体介质采用稳态不可压缩的水，假设流体进口温度为360K，计算采用k-epslion紊流模型，边界条件采用速度进口和压力出口。壁面的恒温温度设置为300k。在求解的过程中，当连续性方程、动量方程和能量方程中的变量残差都达到10-6认为收敛。3网格划分在进行数值模拟的过程中，网格的划分都是最关键的工作之一，网格的好坏直接影响着计算速度和计算结果的收敛。本文的模型结构比较规则，所以采用网格质量好、计算速度快、内存占用量少的额六面体结构化网格分别对流体和固体部分进行划分，网格的疏密程度对模型计算结果也有很大的影响。计算之前首先对网格进行独立性检测，采用不同的网格密度重复同样的计算，比较所得的结果，当模型进一步细化网格，在工程允许的偏差范围内数值解已经几乎不再发生变化，即认为此解为网格独立的解。以模型（2）为例，在计算网格加密后，重新分析计算结果，通过比较结果发现，网格数量为10左右时能够满足计算的精度要求。三个模型的网格见图2。图2光滑管、螺纹宽2mm、1mm的螺纹管4边界条件设置本文的模型厚度不计，流体介质采用稳态不可压缩的水，计算采用k-epslion紊流模型，边界条件采用速度进口和压力出口。假设流体进口温度为360K，选择强度和水利直径，速度为1m/s。我们将这个模型简化，不考虑模型的厚度，在建模的过程中将壁面画成一个面，假设该面为恒定壁温为300K。在求解的过程中，当连续性方程、动量方程和能量方程中的变量残差都达到10-6认为收敛。5求解计算进行初始化设置后，对模型迭代计算，迭代次数设置为1000次。如下面三张残差监测曲线图。我们可以得出，虽然其结构不同，有细微的差别，但是计算都是收敛的。图3光滑管图4螺纹管螺纹宽2mm图5螺纹管螺纹宽1mm6分析与讨论为了清晰观察三维流动，需要用某些特殊面上的流动状态来显示整个流动的特征，本文创建z=0为例，展示了整个管子的流动特性（流体从管子右边流入）。下面分别是模型（1）（2）（3）的各个参数的分布云图，我们可以观察到z=0平面的压力、速度、湍动能、湍流强度、温度的变化趋势以及不同模型之间的差别。图6压力分布图7速度分布图8湍动能分布图9湍流强度分布图10入口处边界温度分布出口处边界温度分布由以上这些图我们可以观察到，其压力随着流体的流动方向不断的下降，三管之间没有明显的区别，变化趋势大致的相同。由于存在入口段效应，速度受到边界层的影响，知道发展到充分发展段，速度发展为1m/s，三个模型在管段没有很大的区别，但我们可以看到，螺纹处的速度较其它部位的低，尤其是模型2，这与螺纹的宽度有关。由图6、图7我们可以观察到，在螺纹凹槽处，流体的湍动能和湍流强度数值都比换热管的其他部位要大，可以从一方面证明螺纹可以在一定程度上增强流体的扰动，从而加强换热，模型2的螺纹处的湍动能和湍流强度相对比较大，这就提醒我们，要是使用螺纹来强传热，我们一定要选择合适的螺纹参数，虽然螺纹的跨度凹槽越深，可能对产生湍流漩涡更有效，但是同时也会降低流体的速度而不至于传热。见图8，我们可以观察到流体在换热管的入口段和出口段时温度分布，在出口段，相比主流区的温度，靠近壁面的流体温度明显下降，这也是为什么采用短管来强化传热的原因。（1）螺纹管段的流动阻力系数为了计算流体通过管道时沿程的能量损失，需要计算螺纹管道段的流动阻力系数。我们可以在FLUENT中创建x=105和x=-5的平面，这样就可以直接读出螺纹管段入口截面的平均压力和螺纹管段出口截面的平均压力。我们现在以模型（2）螺纹换热管，管道长Lo=200mm，螺纹槽段长L=100mm，管径D=20mm，螺纹槽螺距T=5mm，螺旋槽的深度a=2mm，宽度b=2mm为例。界面显示入口截面的平均压强为333.254Pa，出口截面的平均压强为43.44441Pa。根据前面的计算结果，可以得到螺纹管槽段的流动压力损失为∆p=33.41−43.444=93.809根据达西公式，得到损失系数为λ=D2ΔpρVin2DL=2×29.097000×××0.020.=0.11（2）光滑换热管的流动阻力系数由勃拉休斯公式，有λ=0.3164Re0.25=0.3164（1×0.00.0011000⁄）0.25=0.066螺纹槽管与光滑管损失系数之比β=λλ。=0.750.0266=4.41，若这一结果与实验值的误差在10%以内，证明计算结果是可以接受的。（3）阻力损失的分析与结论单单知道模型（2）的阻力损失系数还不够，我们需要进行纵向的对比才能得出其能量损失的特点，利用上面的计算方法对螺纹换热管和光滑换热管进一步计算结果如图11。两者之比曲线如图12。图11阻力损失曲线图12阻力损失对比图观察图11和图12，我们可以得出以下的结论：（1）由图11，我们可以得到随着Re数的增大，螺纹换热管的阻力损失系数呈下降趋势，然后在趋于平缓。而光滑的换热管即模型（1）阻力损失系数大小相对螺纹管小的很多，且全程也没有明显的变化趋势，比较平缓。这也进一步验证了，虽然螺纹换热管虽然能强化传热，但是其能量损失也要大的很多。（2）由图12可以得到，螺纹换热管与光滑换热管的阻力系数比值有一个最大值，约在Re=15000左右，比值在5左右。其实也可以由图11大致能得打其比值的大致趋势，在图11，在Re=15000左右，螺纹管存在最大损失系数。（3）在Re15000后，随着Re数的增大，二者之间的比值呈下降趋势，并接近一个固定值3。螺纹管和光滑管的损失系数的变化趋势都比较平缓，且前者要比后者大很多。（4）在Re=5000左右时，二者的比值约为4，这与实验值很接引。参考文献[1]黄松汉编著.板翅式换热器[M].北京.化学工业出版社，1984.[2]陶文铨.数值传热学{第2版}[M].西安；西安交通大学出版社，2001.[3]李海凤.板翅式换热器倾斜波纹翅片传热与流动特性研究[D],山东；山东大学，2006.[4]韩占中编著.流体工程仿真计算实例与分析[M].北京；北京理工大学出版社，2009.[5]张也影.流体力学[M].北京；高等教育出版社，1999.[6]侯晖昌.减阻力学[M].北京；科学出版社，1987.[7]Gambit2.2User’sGuide.FluentInc.[8]Fluent6.2User’sGuide.FluentInc.