三头螺旋波纹管强化传热数值模拟.doc

*基金项目:国家自然科学基金资助项目(No. 51036003, 51021065)和教育部博士点基金()。
中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号: 123269
三头螺旋波纹管强化传热数值模拟*
刘佳驹,刘伟
(华中科技大学能源与动力工程学院,武汉 430074)
(Tel: 027-87542618, Email: w_******@hust.)
摘要:本文采用数值计算的方法,以水为工质,研究了一种三头螺旋波纹管在层流状态下换热与流动的综合性能,并将不同槽深的螺旋波纹管进行对比。此外,利用物理量的场协同原理对计算结果进行了分析,结果表明,三头螺旋波纹管能有效提升管内综合强化传热性能,~,并且槽深越深,PEC值越高。
关键词:螺旋波纹管;层流;强化传热;PEC;多场协同
0 前言
在能源、化工、航空、航天、电子、核能、医药、材料、冶金等各个领域中,换热器得到了广泛地应用。增强对流换热,减小流动阻力,是提高换热器综合性能的有效途径,这对于高能耗行业的节能减排具有极其重要的意义。
研究表明,管内形成纵向旋流能有效提升传热管综合换热性能[1][2]。多名学者研究了多种能够形成旋流的强化传热管,结果表明,这些强化传热管都能获得较好的换热性能[3][4][5]。本文提出一种三头螺旋波纹管,旨在通过管壁处螺旋流道迫使管内流体整体形成纵向旋流,以避免二次流的产生,这样,螺旋波纹管在换热性能大幅增加的同时,流动阻力增加不显著,能获得优良的综合强化传热效果。本文以水作为工质,对三头螺旋波纹管在层流状态下的传热与流动性能进行了研究。
1 物理及数学模型
如图1所示,水在三头螺旋波纹管中流动。管长L=600mm,内径d=20mm,节距p=30mm,槽深H分别取1mm、2mm、3 mm、4 mm、5 mm。水的入口速度和入口温度均匀分布,三头螺旋波纹管壁面采用定热流加热方式,并假设:(1)流体物性参数不变;(2)流体流动状态为稳态流动;(3)忽略重力影响。控制方程形式如下:
质量方程: (1)
动量方程: (2)
能量方程: (3)
,计算模型为三维、层流、稳态、双精度模型,雷诺数Re取300、600、900、1200、1500、1800,压力与速度耦合采用SIMPLEC算法,管壁为恒热流密度边界条件,热流密度,入口为速度入口边界条件,温度取293K,出口为自由出流边界条件。×10-7。
为提高计算精度并节省计算资源,本文采用全六面体网格对三头螺旋波纹管进行网格划分,如图2所示,并选取4套疏密程度不同的网格对多种工况进行计算,比较结果见表1,由此确定,×106左右时符合计算精度要求。

图1 三头螺旋波纹管
图2 三头螺旋波纹管网格
表1 网格数变化对计算结果的影响
网格数变化
×105~×106
13%
%
×106~×106
%
%
×106~×106
%
%
2 数值模拟及结果分析
平均努赛尔数Nu
图3显示了具有不同槽深的三头螺旋波纹管的Nu数随Re变化的趋势。从图中可以