横纹管强化传热机理的数值分析

[摘要]通过对横纹管内流体速度及压力损失进行数值模拟，分析横纹管内流体的速度、压力分布情况和管内速度模量分布、径向速度分布及湍流强度分布，探讨横纹管强化传热的机理。横纹管由于其特有的结构，产生了径向的扰动和轴向旋涡，使传热能力大大增强。

[关键词]横纹管 流动特性 强化传热 机理

中图分类号：TH6 文献标识码：A 文章编号：1671－7597(2008)0810107－01

一、引言

强化传热对于高科技的发展有着不可忽视的作用，近来有很多研究强化传热管的报道。强化传热分为有源强化和无源强化。有源强化传热是依靠外界的扰动，如振动、电场等强化传热；无源强化传热技术是指除了输送传热介质的功率消耗外不再需要附加动力的技术。通过改变管内结构，扰动流体流动，破坏边界层来强化传热是一种常用的无源强化传热方法。本文研究的横纹管是一种变截面管，它是在管外壁上滚轧出与管轴线成90度的横向沟槽，在管内壁相应地形成一圈圈突起的圆环从而强化传热的管子。本文应用CFD软件fluent6.2对横纹管内流体速度及压力损失进行数值模拟，通过分析管内流体的流动特性来研究横纹管强化传热的机理。

二、横纹管内流体的流动规律

（一）横纹管管内流场分布。横纹管内的压力、速度场分布分别如图4，5。从图4还可以看到，凸肋前静压较大，为正值，而在凸肋处逐渐减小为负值，凸肋过后，静压又逐渐增大为正值。这说明在凸肋处出现了轴向旋涡。从图中还可以看出，在凸肋前，静压降低，流速增加，而凸肋之后，静压增加，流速降低。因此，流体的流动在反复改变轴向压力梯度下进行，产生了剧烈的旋涡，从而冲刷流体的边界层，使边界层减薄。这就强化了传热。凸肋处产生很大的负压，压力梯度很大，这就增大了流动的阻力，同时内部凸肋处对壁面附近流动的扰动较大，这在一定程度上增强了换热效果。在管截面突变的尖角处，流速很低，形成了一个个小的旋涡，凸肋两边近壁处的流速都较低，有助于流体与壁面的换热。说明横纹管的凸肋只是对近壁处的流体流动有影响，这有利于强化传热，而对距壁较远处流体主体的流动没什么影响，因而阻力不会增加的太多。

（二）横纹管管内速度分布。图6为距中心轴不同远处截面上的速度模量沿轴向的变化情况。从图中可以看到，距离中心轴越远的地方速度模量沿轴向变化越小，如y-4，沿轴向几乎没什么波动，速度大小一直停留在大约2.375m/s的位置。而随着距中心轴越来越远，即距壁面越来越近，速度模量沿轴向变化越来越大，从y-4到y-8.5各变化曲线的波动越来越大，主要是受壁面形状的影响越来越强。以y-8为例，凸肋处速度要增大0.3m/s左右，即

凸肋引起速度的波动有0.3m/s左右。在所研究的两个节距一个周期范围内，内部两个凸肋分别出现在位置4.1和12.3附近。从图6可以看出，刚好是在凸肋出现的位置速度波动较大。说明主要是凸肋扰动了流体的流动。随着距壁面越来越近，还可以看到，在凸肋处出现了边界层的分离。并且可以看到，距中心轴越近速度越大，壁面附近的速度已经很小，y-9只有0.4m/s，而y-4可以为2.3m/s。

图7为横纹管管内径向速度沿轴向的变化图。可以看到，距离中心轴较近即距壁较远的地方如y-4径向速度几乎一直停留在0的位置，几乎没有波动。而随着离壁距离的缩短，波动逐渐增强。最大的波动可以达到0.55m/s。这对于壁面附近本来就不大的速度模量来说已经是影响很大了。所以径向的扰动是不能忽略的，它对于强化传热有较大的作用。

（三）横纹管管内湍流强度变化。图8为横纹管管内湍流强度沿轴向的变化图。从图中可以看到，距中心轴越远，湍流强度越大，而且随着距壁面越来越近，湍流强度的波动也在增大。以y-8为例，波动大约为0.4。

三、横纹管强化传热的机理

综合分析横纹管内流体的流动规律，可以知道，横纹管通过改变表面形状，即内部不断出现凸肋来扰动流体的流动，使得流体的速度模量、径向速度、湍流强度沿轴向产生较大的变化。通过上述分析可知，径向的扰动破坏了边界层底层的形成，这在一定程度上强化了传热。横纹管强化传热的另一个原因就是流体流经凸肋处出现了横向漩涡，增大了流体边界层的扰动，有利于热量通过边界层向流体主体的传递。而由于凸肋的不断出现，使得横向涡流不断出现，强化换热。只要节距合适，就会在前一个漩涡消失之后，后面的漩涡马上形成，不断地强化传热。

四、结论

本文用数值模拟方法分析了横纹管管内流体的流动规律，从而对横纹管的强化传热机理进行了探讨。横纹管由于壁面形状的改变，凸肋的不断出现对流体的流动产生了扰动，径向传热的增加，还有轴向旋涡的不断出现使热量不断通过边界层传给流体主体。这就大大强化了传热。

参考文献：

[1]崔海亭，汪云，高效异型强化管的研究现状及发展方向。石油机械，1999，27（7）：48-50.

[2]贾檀，陆应生，庄礼贤，谭盈科，邓先和，横纹管的传热与流体力学特性研究。化工学报，1990，41（5）：612-616.

[3]李军，多种强化传热管的强化传热性能与流阻性能研究。华南理工大学硕士学位论文，2000.

[4]黄维军，邓先和，黄德斌，横纹槽管结构优化的正交数值模拟试验研究。化工学报，2005，56（8）：1445-1450.

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