圓管內(nèi)層流入口段插入多孔板的傳熱性能分析

戰(zhàn)洪仁， 韓冬雪， 張海松， 婁 巖， 楊 瑞， 吳 眾

(沈陽化工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110142)

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圓管內(nèi)層流入口段插入多孔板的傳熱性能分析

戰(zhàn)洪仁， 韓冬雪， 張海松， 婁 巖， 楊 瑞， 吳 眾

(沈陽化工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110142)

通過數(shù)值模擬計(jì)算的方法，研究在圓管內(nèi)插入的多孔板幾何結(jié)構(gòu)對(duì)層流入口段換熱效果的影響，并通過場(chǎng)協(xié)同理論加以驗(yàn)證.結(jié)果表明：插入多孔板后管子的換熱效果比光管圓管的換熱效果好；在研究范圍內(nèi)，當(dāng)孔隙率ε相同時(shí)，孔間距越大，換熱效果越好；當(dāng)孔間距相同時(shí)，孔隙率ε越大，換熱效果越好.綜上所述，在圓管內(nèi)插入多孔板時(shí)，適當(dāng)增大多孔板的孔隙率和孔間距，可以有效地提高圓管的換熱效果.

多孔板； 場(chǎng)協(xié)同； 層流入口段； 內(nèi)插物； 數(shù)值模擬

由于多孔介質(zhì)內(nèi)固體骨架與流體接觸面積大且對(duì)流體擾動(dòng)性強(qiáng)，一直受到研究人員的青睞.近年來，許多學(xué)者對(duì)管內(nèi)插入多孔介質(zhì)以達(dá)到強(qiáng)化管內(nèi)對(duì)流換熱的目的進(jìn)行了研究，且主要關(guān)注層流的充分發(fā)展段.Pavel[1]已經(jīng)證明了在管內(nèi)充滿多孔介質(zhì)會(huì)使徑向速度場(chǎng)變的均勻且阻力增大，降低了換熱效率.劉偉[2-4]等人采取了在管內(nèi)核心流填充多孔介質(zhì)的方法進(jìn)行強(qiáng)化傳熱，并對(duì)其進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，結(jié)果表明管內(nèi)場(chǎng)協(xié)同性變好，壁面與流體之間的換熱得到顯著提高.但是在工程實(shí)際應(yīng)用的換熱器中，管內(nèi)流體大多處在熱入口段[5]，所以為了能更好地結(jié)合工程實(shí)際應(yīng)用，本文研究了管內(nèi)處于層流入口段部分插入多孔板后的傳熱特性，并對(duì)其進(jìn)行了數(shù)值模擬，同時(shí)結(jié)合場(chǎng)協(xié)同理論進(jìn)一步分析了其換熱效果.

1 研究方法

1.1 物理模型

在長(zhǎng)為1 000 mm、直徑為96 mm的光滑圓管內(nèi)插入直徑為95 mm、厚度δ=5 mm的多孔板，第一個(gè)多孔板距管子入口為100 mm，其余多孔板間距離均為200 mm，且每個(gè)孔板間沿軸線方向順時(shí)針相差72°；多孔板上的孔呈正三角排列，如圖1所示，多孔板的具體參數(shù)如表1所示.

圖1 多孔板物理模型

Fig.1 Model of perforated plate

表1 多孔板幾何尺寸

Table 1 Geometric parameters of the perforated plate

多孔板編號(hào)孔數(shù)量孔間距s/mm孔隙率εa2660.29b2650.29c2640.29d2840.31e3040.33

注：多孔板外徑D=95 mm；孔徑d=10 mm.

1.2 數(shù)值模擬方法

數(shù)值模擬的方法：以空氣為工作介質(zhì)，Re的研究范圍在480～1 440之間，計(jì)算采用壓力和速度耦合的SIMPLE算法，差分格式均為一階迎風(fēng)格式，定義的收斂殘差取10-6；入口為速度入口邊界條件，出口為充分發(fā)展的邊界條件，管壁為恒壁溫條件，Tw=303 k，流體入口溫度Tf=343 K；多孔板為絕熱邊界條件，特征溫度為流體溫度和壁面溫度的平均值.

1.3 數(shù)學(xué)模型

控制方程如下[6]：

連續(xù)性方程是任何流動(dòng)問題都必須滿足的一個(gè)定律.當(dāng)流體處于穩(wěn)態(tài)，密度ρ為常數(shù)且不可壓時(shí)，連續(xù)性方程如下：

(1)

同連續(xù)性方程一樣，動(dòng)量方程也是任何流體都必須滿足的定律.在空間坐標(biāo)系中，動(dòng)量方程通常表示為：

(2)

(3)

(4)

在流動(dòng)系統(tǒng)中包含有熱交換時(shí)需使用能量守恒方程.對(duì)于牛頓流體，能量守恒方程表示為：

(5)

1.4 方法可行性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬方法的準(zhǔn)確性，采用數(shù)值模擬方法得到的數(shù)據(jù)與經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)比，具體結(jié)果如圖2所示.通過圖2可知：采用數(shù)值模擬方法得到的Nu與理論的Nu最大誤差為2.15 %，阻力系數(shù)f的最大誤差為2.69 %.可見數(shù)值模擬方法可以很好地反應(yīng)管中插入多孔板后流體的流動(dòng)情況與換熱特性.

圖2 努塞爾數(shù)Nu和阻力系數(shù)f的誤差分析

Fig.2 The error analysis ofNuand the resistance coefficientf

2 結(jié)果分析

2.1 插入5種多孔板后管內(nèi)速度場(chǎng)

當(dāng)Re=1 440時(shí)，分別在5根光滑圓管中插入a#、b#、c#、d#、e#多孔板各5個(gè)，插入多孔板后，管內(nèi)流體的速度場(chǎng)分布見圖3.從圖3可以看出：當(dāng)流體流經(jīng)多孔板上的孔時(shí)，由于流體流通面積突然減小，流體速度迅速增加，產(chǎn)生明顯的射流現(xiàn)象.在入口速度相同的情況下，a#、b#、c#的速度邊界層逐漸增厚.這是因?yàn)樵谄渌麠l件相同的情況下，孔間距大的多孔板最外沿的孔更靠近孔板邊緣，所以當(dāng)流體通過多孔板邊緣孔時(shí)，由于射流作用使速度邊界層遭到明顯破壞，所以壁面處的熱阻變小，傳熱系數(shù)變大.同時(shí)a#、b#、c#靠近軸線處的速度逐漸增大，這是由于孔間距越小多孔板上各開孔間的射流作用的相互影響越大，射流所產(chǎn)生的卷吸作用效果越明顯.對(duì)比圖3中c#、d#、e#，流體在流經(jīng)第二塊多孔板后有明顯的速度邊界層，且孔隙率越小，邊界層越厚，速度越小.

圖3Re=1 440時(shí)插入不同多孔板后對(duì)稱面上速度云圖

Fig.3 Velocity contour of insert different perforated plate atRe=1 440

2.2 管內(nèi)強(qiáng)化傳熱特性分析

為了更好地分析多孔板結(jié)構(gòu)對(duì)換熱效果的影響，對(duì)光管插入不同孔間距的多孔板(a#、b#、c#)和插入不同孔隙率的多孔板(c#、d#、e#)的模型進(jìn)行數(shù)值模擬，且與相同尺寸的光管圓管進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖4所示.

由圖4可以看出：當(dāng)光管圓管內(nèi)插入多孔板后，隨Re的增大，Nu變大，換熱效果增強(qiáng).這是因?yàn)楫?dāng)流體流經(jīng)多孔板上的孔時(shí)，流體由于速度變化出現(xiàn)擾動(dòng)，破壞近壁面處的邊界層，從而減小了熱阻，增強(qiáng)了換熱效果.

通過圖4(a)可以看出：在孔間距s為6 mm、5 mm、4 mm時(shí)，平均Nu值較光管圓管分別提高了32.5 %～42.4 %、25.1 %～36.1 %、14.8 %～31.4 %，說明孔隙率一定時(shí)，孔間距越大，換熱效果增強(qiáng)的越明顯；由圖4(b)可以看出：在孔隙率ε為0.29、0.31、0.33時(shí)，平均Nu值較光管圓管分別提高了14.8 %～31.4 %、21.5 %～34.3 %、28.7 %～39.1 %，說明孔間距一定時(shí)，孔隙率越大，換熱效果增強(qiáng)越顯著.由此可以推斷，孔間距對(duì)換熱效果的影響大于孔隙率的影響.

圖4 不同結(jié)構(gòu)多孔板對(duì)換熱效果的影響

Fig.4 Effect of different structure of perforated plate on heat transfer performance

2.3 場(chǎng)協(xié)同分析

通過對(duì)對(duì)流換熱物理機(jī)制的研究，過增元提出了速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)的協(xié)同理論[7]，即當(dāng)其他條件相同的情況下，速度矢量與溫度梯度之間的夾角θ小于90°時(shí)，θ越接近0°，換熱效果越好；θ大于90°時(shí)，θ越接近180°換熱效果越好.具體公式如下：

從圖5中(a)和(b)的對(duì)比可以看出：當(dāng)流體流過多孔板后，近壁處會(huì)出現(xiàn)回流的旋渦，流速分布發(fā)生了明顯的變化，溫度梯度與速度矢量的夾角明顯變小，協(xié)同性變好.

通過圖6也可以看出：插入多孔板后，管內(nèi)的協(xié)同性明顯優(yōu)于光管圓管.從圖6(a)中可以了解到管內(nèi)插入a#多孔板的協(xié)同性最好，c#協(xié)同性最差.從圖6(b)中可以看出管內(nèi)插入e#多孔板的協(xié)同性最優(yōu)，c#協(xié)同性最差.綜上所述，換熱效果好的管子，速度矢量和溫度梯度的協(xié)同性好，這一結(jié)論與文獻(xiàn)[8]一致.

圖5 插入多孔板前后圓管的速度矢量與溫度等值線的對(duì)比

Fig.5 The comparison chart of the velocity vector and temperature isoline of the >circular tube before and after inserting the perforated plate

圖6 插入不同結(jié)構(gòu)的多孔板時(shí)管內(nèi)協(xié)同角隨Re變化情況

Fig.6 The change situation of the synergy angle in the pipeline along withRewhen inserting the perforated plate with different structure

3 結(jié) 論

通過對(duì)光管圓管層流入口段內(nèi)插入不同結(jié)構(gòu)多孔板的物理模型進(jìn)行數(shù)值模擬，并對(duì)得出的結(jié)果進(jìn)行分析對(duì)比得出以下結(jié)論：

(1) 插入多孔板后管子的換熱效果比光管圓管的換熱效果有明顯提高，且速度矢量和溫度梯度的協(xié)同性更好；

(2) 研究范圍內(nèi)，當(dāng)孔隙率ε相同時(shí)，管內(nèi)插入的多孔板孔間距越大，換熱效果越好，努塞爾數(shù)Nu較光管圓管最大可提高42.4 %；當(dāng)孔間距相同時(shí)，管內(nèi)插入的多孔板孔隙率ε越大，換熱效果越好，努塞爾數(shù)Nu較光管圓管最大可提高39.1 %；

(3) 在工程實(shí)際應(yīng)用中，結(jié)合實(shí)際情況適當(dāng)增大多孔板的孔隙率和孔間距，可有效提高圓管的換熱效果.

[1] PAVEL B I，MOHAMAD A A.An Experimental and Numerical Study on Heat Transfer Enhancement for Gas Heat Exchangers Fitted with Porous Media[J].Journal of Heat and Mass Transfer，2004，47(23)：4939-4952

[2] 劉偉，明廷臻.管內(nèi)核心流分層填充多孔介質(zhì)的傳熱強(qiáng)化分析[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2008，28(32)：66-71.

[3] MING T Z，ZHENG Y，LIU J，et al.Heat Transfer Enhancement by Filling Metal Porous Medium in Central Area of Tubes[J].Journal of the Energy Institute，2010，83(1)：17-24.

[4] 明廷臻，周程，劉偉.管內(nèi)填充環(huán)狀金屬多孔介質(zhì)強(qiáng)化傳熱優(yōu)化分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，33(3)： 62-66.

[5] 黃志鋒，劉偉，劉志春，等.管內(nèi)層流入口段插入環(huán)狀多孔介質(zhì)的傳熱性能研究及其場(chǎng)協(xié)同分析[C]//中國工程熱物理學(xué)會(huì)傳熱傳質(zhì)學(xué)2009年學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，[出版地不詳]：中國工程熱物理學(xué)會(huì)，2009：1-6.

[6] 楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)[M].4版.北京：高等教育出版社，2006：205-207.

[7] 過增元，黃素逸.場(chǎng)協(xié)同原理與強(qiáng)化傳熱新技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2004：2-10.

[8] 周俊杰，陶文銓，王定標(biāo).場(chǎng)協(xié)同原理評(píng)價(jià)指標(biāo)的定性分析和定量探討[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2006，27(2)：45-48.

Analysis for Heat Transfer Characters of the Tubes Inserted with Perforated Plate in Developed Laminar Flow

ZHAN Hong-ren， HAN Dong-xue， ZHANG Hai-song， LOU Yan， YANG Rui， WU Zhong

(Shenyang Univercity of Chemical Technology， Shenyang 110142， China)

This work investigated the effect of geometrical structure of perforated plate inserted in the circular tube on heat transfer at the laminar entrance section by the method of numerical simulation for air flow medium,and verified the results with the field synergy principle. The results showed that the heat transfer of the tube inserted into the perforated plate is better than the that of light pipe.Under the conditions of this work,the heat transfer effect will be better with the increase of the hole spacingSat the same porosityε. And at the same hole spacingS,the heat transfer effect will be better with the increase of the porosityε. To sum up,the increase of the porosityεof porous plate and hole spacingSof the inserted the porous plate into the circular tube can improve the heat transfer effect of circular tube effectively.

perforated plate； field synergy principle； laminar entrance section； insert； numerical simulation

2015-05-06

國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(61473056)

戰(zhàn)洪仁(1964-)，女，山東蓬萊人，副教授，博士，主要從事強(qiáng)化傳熱與節(jié)能技術(shù)的研究與應(yīng)用.

2095-2198(2016)04-0339-05

10.3969/j.issn.2095-2198.2016.04.011

TK172

A