內(nèi)置分段式彈簧換熱管內(nèi)流場的數(shù)值模擬

徐建民，雷 斌，李智勇，黃 偉，陳 聰

（武漢工程大學機電工程學院，湖北 武漢 430205）

0 引 言

管內(nèi)插入螺旋彈簧作為一種無源技術已被一些學者進行了研究，并證明了該技術能夠很好的實現(xiàn)強化傳熱，但是彈簧結(jié)構對管內(nèi)流體壓降與阻力的影響尚不清楚，該研究尚不多見．本文決定對螺旋彈簧進行分段式處理后，通過數(shù)值模擬的方法來系統(tǒng)研究分段式彈簧強化傳熱特性．

已有很多學者對內(nèi)置螺旋彈簧換熱管強化傳熱特性進行數(shù)值模擬［1－3］，多數(shù)采用 FLUENT 軟件對流體流動傳熱的速度場、壓力場、溫度場進行數(shù)值模擬，但是對分段式彈簧換熱管數(shù)值模擬方法的研究并不多．數(shù)值模擬更能給研究人員帶來直觀的分析數(shù)據(jù)，且運用起來方便，高效，深受學者的青睞．

運用FLUENT軟件對不同內(nèi)置分段式彈簧換熱管的速度場進行數(shù)值模擬，有利于觀察流體流動狀態(tài)和研究內(nèi)置分段式彈簧換熱管管內(nèi)流體的傳熱特性，得到不同長度的分段式彈簧對流動傳熱性能的影響規(guī)律．

1 建立模型和邊界條件

1．1 計算模型

擬采用4種不同尺寸的內(nèi)置分段式彈簧換熱管與光管流動與傳熱進行三維數(shù)值模擬，該模擬選取長度500 mm的管長作為模擬區(qū)域，換熱管直徑為20 mm，彈簧絲徑為1 mm，彈簧節(jié)距為3 mm，彈簧圈徑為16 mm．分段式彈簧的尺寸如表1所示．

表1 各段彈簧長度Table 1 The length of each segment of the spring mm

由于計算模型中彈簧呈螺旋結(jié)構，并且橫截面很小，劃分網(wǎng)格有一定的困難，經(jīng)過反復的嘗試，最終選擇適應性較好的Tet／Hybird（四面體）類型，該類型網(wǎng)格包含四面體網(wǎng)格單元，但是在合適的位置也包含六面體、錐體，劃分方式選用TGrid（主要采用四面體單元）方式，為提高結(jié)果的精確度，對彈簧壁面的網(wǎng)格加密．劃分網(wǎng)格的局部模型如圖1所示．

圖1 劃分網(wǎng)格局部模型Fig．1 Mesh generation of local model

1．2 邊界條件

流體入口定義為速度入口邊界，速度從0．3 m／s增加到1．1 m／s，入口流體的溫度為333 K，換熱管的壁面定義成無滑移的靜止的剛性壁面，壁面溫度恒定為293 K，流體出口定義為壓力出口邊界．采用標準κ－ε湍流模型，壓力與速度的耦合采用SIMPLE（基本）方式，對流項采用一階迎風離散格式，定義收斂條件為殘差的絕對值小于1×10－6．

2 模擬結(jié)果

2．1 流動特性

在內(nèi)置分段式彈簧換熱管內(nèi)，彈簧呈螺旋結(jié)構，對流體起到一個引導作用，使得流體隨著產(chǎn)生螺旋運動；彈簧在流體的沖擊作用下會發(fā)生振動，流體受到彈簧的振動作用，軸向速度，徑向速度以及彈簧周圍流體的切向速度會有所增大，因此彈簧就會產(chǎn)生離心力，對近壁區(qū)域流體產(chǎn)生擾動，減薄邊界層，從而改善傳熱效果；彈簧的螺旋結(jié)構增加了流體的湍流強度，充分擾動邊界層，進一步提高傳熱效率［4－6］．

2．2 4種不同分段彈簧長度下在x＝30 mm截面處的徑向速度場

當流體入口速度為0．3 m／s時，內(nèi)置不同尺寸分段式彈簧換熱管管內(nèi)x＝30 mm截面處的徑向速度分布如圖2至圖6所示．

圖2 光管速度分布圖Fig．2 Velocity profile of light pipe

圖3 1＃管速度分布圖Fi g．3 Velocity profile of 1＃pipe

圖4 2＃管速度分布圖Fig．4 Velocity profile of 2＃pipe

圖5 3＃管速度分布圖Fig．5 Velocity profile of 3＃pipe

圖6 4＃管速度分布圖Fig．6 Velocity profile of 4＃pipe

從圖2至圖6可以看出，換熱管內(nèi)置分段式彈簧可以明顯提高流體的徑向速度，并在換熱管壁面區(qū)域加強流體擾動，破壞邊界層，邊界層在彈簧的振動作用下產(chǎn)生分離，使得邊界層變薄，從而達到強化傳熱的效果．同時插入分段彈簧的長度對徑向速度影響不大，因此綜合流體流動阻力考慮，為了減小彈簧對流體的阻礙，采用長度較小的分段式彈簧（換熱管的兩端插入彈簧，中間湍流區(qū)域沒有彈簧）可以更好地提高強化傳熱效果．

2．3 彈簧絲徑的影響

入口速度為0．3 m／s時，絲徑分別取1．0 mm、1．4 mm、1．8 mm，內(nèi)置不同絲徑的分段式彈簧換熱管管內(nèi)x＝30 mm截面處的徑向速度分布如圖7至圖9所示．

圖7 絲徑為1．0 mm時x＝30 mm截面處速度云圖Fig．7 Speed of cloud images（Wire diameter is 1．0 mm）

圖8 絲徑為1．4 mm時x＝30 mm截面處速度云圖Fig．8 Speed of cloud images（Wire diameter is 1．4 mm）

圖9 絲徑為1．8 mm時x＝30 mm截面處速度云圖Fig．9 Speed of cloud images（Wire diameter is 1．8 mm）

從圖7至圖9可以看出隨著絲徑的增大，彈簧的引流作用得到增強，邊界層的速度增大，說明起到了擾動作用，并且加強了彈簧周圍流體的運動，彈簧又使得流體產(chǎn)生了明顯的螺旋運動，進而迫使邊界層分離，邊界層的厚度隨之減小，從而增強強化傳熱效果，但同時增大了阻力壓降．

2．4 彈簧圈徑的影響

入口速度為0．3 m／s時，圈徑分別取8 mm，12 mm，16 mm，內(nèi)置不同圈徑的分段式彈簧換熱管管內(nèi)x＝30 mm截面處的徑向速度分布如圖10至圖12所示．

圖10 圈徑為8 mm時x＝30 mm截面處速度云圖Fig．10 Speed of cloud images（circle diameter is 8 mm）

圖11 圈徑為12 mm時x＝30 mm截面處速度云圖Fig．11 Speed of cloud images（circle diameter is 12 mm）

圖12 圈徑為16mm時x＝30mm截面處速度云圖Fig．12 Speed of cloud images（circle diameter is 16mm）

從圖10至圖12可以看出隨著彈簧圈徑的增大，流體的速度也會增大，因為圈徑大的彈簧離壁面區(qū)域近，流體的沖擊使彈簧發(fā)生振動后，邊界層的流體會產(chǎn)生擾動，加上流體在彈簧作用下產(chǎn)生的螺旋運動，使得邊界層的流體運動更劇烈，可以較快的從層流階段過渡到紊流階段，減薄了邊界層的層流底層，降低壁面熱阻，進而提高了強化傳熱效率．

3 計算結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

圖13可以反映出每段彈簧的長度對強化傳熱有一定的影響，并與光管進行了比較，內(nèi)置分段式彈簧對強化傳熱起到了促進作用．隨著雷諾數(shù)Re的增加，努賽爾數(shù)Nu隨之增大，雷諾數(shù)Re相同時，隨著插入彈簧的長度增加，努賽爾數(shù)Nu相應的增加，從而增大強化傳熱的效果．

圖13 Nu數(shù)隨Re的變化曲線Fig．13 Nusselt number and Reynolds number variation graph

圖14可以反映出，內(nèi)置分段式彈簧換熱管相對于光管，阻力系數(shù)會增大，但是隨著Re數(shù)的增大，阻力系數(shù)逐漸減小，且1＃管阻力系數(shù)最小，說明在兩端插入的彈簧長度不宜過長，因為彈簧會增加流體流動阻力，在換熱管完全紊流區(qū)，可以達到良好的傳熱效果，因此，采用分段式彈簧可以有效減小阻力，使流體呈現(xiàn)擾動、穩(wěn)定流、擾動的狀態(tài)，進一步提高傳熱效率．

圖14 阻力系數(shù)隨Re的變化曲線Fig．14 Resistance coefficient and Reynolds umbr variati gph

4 結(jié) 語

a．在內(nèi)置分段式彈簧換熱管的入口與出口端由于存在彈簧的振動，使得流體邊界層破壞，加強了流體的擾動，使得兩端管內(nèi)側(cè)邊界層變薄，從而提高強化傳熱的效果．

b．分段式彈簧的存在，可以明顯起到強化傳熱的作用．在相同的Re數(shù)下，與光管相比，Nu數(shù)提高了2～4倍，但是阻力系數(shù)也會相應的增加，總體來說還是可以提高強化傳熱效率．

c．內(nèi)置分段式彈簧強化傳熱技術適用于低流速下的傳熱技術應用，并且兩端彈簧盡量選擇短些，有利于減小壓降，兼并彈簧的振動作用，從而實現(xiàn)強化傳熱．

致謝

衷心感謝武漢工程大學機電工程學院對本研究工作的支持與幫助．

［1］徐建民，彭坤，胡小霞，等．內(nèi)置螺旋彈簧換熱管內(nèi)流動與傳熱三維數(shù)值模擬［J］．化工進展，2012，31（12）：2652－2655．XU Jian－min，PENG Kun，HU Xiao－xia，et al．3D numerical simulation of fluid flow and heat transfer in heat exchange tube with helical coil inserts［J］．Chemical Industry And Engineering Progress，2012，31（12）：2652－2655．（in Chinese）

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［3］李行．內(nèi)置組合式扭帶換熱管內(nèi)流動與傳熱的數(shù)值模擬［D］．長沙：長沙理工大學，2011．LI Xing．Numerical simulation of flow and heat transfer in heat exchanger tubes with modular twisted tape［D］．Changsha：Changsha University of Science＆Technology，2011．（in Chinese）

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