基于Fluent螺旋扁管強化傳熱特性的模擬研究

周日存，陳志靜，蘇呈

（廣東石油化工學院，廣東省石油化工裝備工程技術(shù)研究中心，廣東茂名525000）

材料工程

基于Fluent螺旋扁管強化傳熱特性的模擬研究

周日存，陳志靜，蘇呈

（廣東石油化工學院，廣東省石油化工裝備工程技術(shù)研究中心，廣東茂名525000）

螺旋扁管是以橢圓直管為基礎，通過旋轉(zhuǎn)螺旋而成型的一種新型高效強化傳熱管型。采用數(shù)值模擬的方法對不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的螺旋扁管進行了研究，分析了螺旋扁管內(nèi)介質(zhì)流場狀況、傳熱及流阻特性。由模擬結(jié)果可知，螺旋扁管的傳熱性能優(yōu)于橢圓管和圓直管，且扭曲和壓扁程度對螺旋扁管的傳熱性能影響較大。

螺旋扁管；數(shù)值模擬；強化傳熱；Fluent

強化型高效傳熱管取代傳統(tǒng)的普通金屬光滑圓管，能在節(jié)約金屬管材和降低設備費用的同時又可以顯著提高熱能利用，降低耗能。與傳統(tǒng)換熱器相比，螺旋扁管換熱器具有傳熱效率高、壓降低、抗垢性能好等諸多優(yōu)點[1-3]。

隨著計算流體力學技術(shù)的發(fā)展，模擬分析成為高效換熱器分析設計的最佳工具。文中利用CFD軟件，對不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的螺旋扁管進行了模擬研究，分析螺旋扁管的結(jié)構(gòu)參數(shù)對管內(nèi)傳熱及流阻特性的影響。

1 幾何模型建立

1.1 模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)

研究的螺旋扁管結(jié)構(gòu)如圖1所示。長軸為A，短軸為B，管長為1 500 mm，節(jié)距S=150、200、250、300 mm，不考慮管壁厚度。

當螺旋扁管的長度一定時，其長短軸比A/B和節(jié)距S對管內(nèi)傳熱與流阻性能均有影響。為了研究不同節(jié)距、長短軸比的傳熱與流阻性能，本文對8種型號的23個結(jié)構(gòu)參數(shù)螺旋扁管進行數(shù)值模擬，具體如表1所示。

圖1 螺旋扁管結(jié)構(gòu)簡圖

表1 螺旋扁管結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 建模與網(wǎng)格劃分

根據(jù)上述的螺旋扁管結(jié)構(gòu)參數(shù)，應用Gambit軟件，按模擬計算的幾何尺寸與實物比例為1∶1，建立模型并將其進行網(wǎng)格劃分。由于螺旋扁管結(jié)構(gòu)較為復雜，用體網(wǎng)格單元Tet/Hybrid（四面體/楔形）對整體進行劃分網(wǎng)格。以4號螺旋扁管的一段為例，其模型和網(wǎng)格分別如圖2、3所示。

圖2 螺旋扁管模型

圖3 螺旋扁管網(wǎng)格

1.3 邊界條件的設置

流體的運動一般遵循三個基本的定律，即質(zhì)量、動量、能量的守恒定律[4]，在流體力學中表現(xiàn)為連續(xù)性、動量和能量的方程。本文利用這三個基本定律來研究管子流體流動特性。為了簡單化模型，不考慮壁厚，只需要定義三個邊界和一個流體區(qū)域，螺旋扁管管內(nèi)即為流體區(qū)域。流動介質(zhì)為水，邊界條件具體設置如下：

（1）管子入口為速度邊界，雷諾數(shù)分別為1 000，6 000，10 000和20 000；根據(jù)公式Re=uρde/μ，速度分別為0.05 m/s，0.3 m/s，0.5 m/s和1.0 m/s.

（2）管子入口溫度邊界，入口溫度為300 K，常溫。

（3）管子出口邊界，設定出口為相對壓力為零，即壓力出口。

（4）管子壁面邊界，設定壁面為恒溫373.15 K，起到傳熱給流體的作用。

2 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

2.1 螺旋扁管內(nèi)介質(zhì)流態(tài)分析

通過比較5種不同管子的溫度和速度圖，反映出流體在不同管內(nèi)的流動狀態(tài)。5種管分別是扭程均為S=200 mm的2號管（a=23，a/b=1.6）、3號管（a=25，a/b=2.0）、橢圓直管和圓直管以及變向螺旋扁管。

下圖均是雷諾數(shù)Re=10 000，流速為0.5 m/s的入口條件。以2號管為例分析溫度場分布、速度場分布和速度矢量分布。

從圖4中的（a）可見，螺旋扁管內(nèi)流體的徑向溫度，從中心到管壁逐漸升高，從（b）可見，管內(nèi)流體軸線方向，從進口到出口，溫度升高也很明顯。

圖4溫度場分布

圖5 可見，螺旋扁管內(nèi)的流體，在徑向方向，從中心到壁面，速度逐漸減慢，減慢的區(qū)域與螺旋程度有關。流體在軸線方向的速度逐漸增大，流體在螺旋管內(nèi)發(fā)生了扭曲變形，增加了湍流的程度，增強傳熱。

圖5 速度場分布

從圖6可以看出，螺旋扁管受自身結(jié)構(gòu)的影響，流體進入螺旋扁管后的流動呈現(xiàn)出比較明顯的旋轉(zhuǎn)流動，因此使得管內(nèi)的流體得以充分混合，產(chǎn)生復雜的以旋渦和周期性的物流分離與混合為主要特點的強烈擾動，使得邊界層厚度減薄了，從而強化了傳熱效果。

圖6 速度局部矢量圖

2.2 不同類型管的換熱及流阻性能分

2.2.1 螺旋扁管和直管的比較

分析螺旋扁管的綜合性能評價因子：

采用3號管扭程S=150跟橢圓管進行比較，如圖7所示。從圖中可以看出，高Re情況下，即介質(zhì)處于湍流狀態(tài)，螺旋扁管的綜合強化傳熱性能明顯優(yōu)于橢圓管。

圖7 綜合性能比較

2.2.2 螺旋扁管結(jié)構(gòu)參數(shù)對傳熱性能的影響

圖8為相同長短軸、不同扭程下螺旋扁管的綜合性能隨雷諾數(shù)的變化圖，由圖可以看出，扭程S =150 mm的螺旋扁管傳熱綜合性能較高。

圖81#管4種扭程的綜合性能評價因子

圖9 為相同扭程、不同長短軸比的5種管子傳熱綜合性能的比較圖，從圖中可以看出5號管的在各種流動狀態(tài)下的綜合性能較高。

圖9 螺旋扁管的綜合性能評價因子

3 結(jié)束語

本文以水作為介質(zhì)，對螺旋扁管、橢圓管、直圓管的換熱性能和流阻性能進行了CFD數(shù)值模擬研究，得到了以下結(jié)論：

（1）依據(jù)模擬數(shù)據(jù)表明，Re數(shù)越大，管內(nèi)對流傳熱和阻力的系數(shù)都逐漸增大。流體在螺旋扁管管內(nèi)流動時，進出口溫度變化比橢圓管及直圓管更明顯。

（2）模擬結(jié)果數(shù)據(jù)證實，螺旋扁管的扭程S一樣，截面壓扁程度a/b越大，強化傳熱性能越好，但相對阻力也增加，反之則相反。

（3）模擬結(jié)果數(shù)據(jù)證實，螺旋扁管的壓扁程度a/b一定，扭程S越小，強化傳熱特性能越好，但相對阻力也增加，反之則相反。如果扭程長度相對較小，截面壓扁程度較大，螺旋扁管強化傳熱更佳[5]。

[1]朱冬生，譚祥輝，曾力丁.扭曲橢圓管管內(nèi)傳熱與壓降性能的研究[J].化學工程，2013（01）：16-20.

[2]錢頌文.換熱器秋束流體力學與傳熱[M].北京：中國石化出版社，2002.

[3]李雪秦，楊毅.自支承螺旋扁管在管殼式換熱器中的應用[J].化工管理，2014，（5）：30-35.

[4]趙鎮(zhèn)南.傳熱學[M].北京：高等教育出版社，2002.

[5]黃德斌，鄧先和，王揚君，等.螺旋橢圓扁管強化傳熱研究[[J].石油化工設備，2003，32（5）：1-4.

Numerically Simulation on Intensify Heat Transfer Characteristics of Spiral Flat Tube Based on Fluent

ZHOU Ri-cun，CHEN Zhi－jing，SU-cheng
（Guangdong University of Petrochemical Technology，Technology Research Center for Petrochemical Equipment of Guangdong Province，Maoming Guangdong 525000，China）

Spiral flat tube is based on the elliptical straight tube，through the rotation of the spiral forming a new type of highly efficient heat transfer tube type.The numerical simulation method was used to study the spiral flat tube of different structure parameters.The flow field，heat transfer and flow resistance characteristics of the spiral flat tube were analyzed.According to the simulation results，it is concluded that the heat transfer performance of the spiral flat tube is better than that of the elliptical tube and the straight tube.The degree of twist and flattening has a great influence on the heat transfer performance of the spiral flat tube.

spiral flat tube；numerical simulation；enhanced heat transfer；fluent

TK124

A < class="emphasis_bold">文章編號：1

1672-545X（2017）05-0198-03

2017-02-19

茂名市石油化工腐蝕與安全工程技術(shù)研究開發(fā)中心開放基金項目（編號：201509B01）；廣東石油化工學院大創(chuàng)項目

周日存（1992－），男，廣東湛江人，本科，研究方向為化工機械與設備；陳志靜（1984－），男，安徽蚌埠人，碩士，講師，研究方向為化工設備腐蝕與防護、流體流動與傳熱。