螺旋橢圓管強化傳熱的數值模擬研究
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摘 要：在對流換熱的場協同理論指導下，對直橢圓管進行數值模擬研究，得出要使橢圓管傳熱增強的同時阻力增加盡可能小的有效途徑是：通過改變流道結構誘導流體盡可能沿與熱流平行的方向流動，而且沿流動方向上流動截面盡可能不發生變化。在此基礎上設計了一種強化傳熱管型--螺旋橢圓管，并對該種管型的換熱與阻力特性進行了數值分析和研究。
關鍵詞：強化傳熱；場協同；螺旋橢圓管
1 引言
由于流體對流換熱的復雜性，目前對流體強化傳熱的研究仍然以實驗為主，是一門實驗性很強的學科。對于當前工程中遇到的大多數問題可以通過實驗研究得到認識和解決，通過實驗的手段人們對一些傳熱問題在理論上有了比較清楚的理解，但完全用實驗的方法來確定最優結構及其使用范圍等，人力物力消耗太大，有些問題甚至難以實現。隨著科學技術的發展，電子計算機的性能極大提高，計算流體力學和計算傳熱學得到了較快的發展，采用數值模擬的方法對強化傳熱進行研究，正在得到廣大科技工作者的青睞。數值模擬方法能夠預測各種工況下的流體流動與傳熱情況，方法簡單、效率高、成本低，大大縮短了換熱器研究設計的周期。因此，對換熱器的數值模擬，將成為換熱器結構優化的一種重要手段。本文在對流換熱的場協同理論（對流換熱的性能不僅取決于流體的速度和物性以及流體與固壁的溫差，而且還取決于流體速度場與流體熱流場間協同的程度，即速度矢量與溫度梯度的夾角大小。在相同的速度和溫度邊界條件下，速度矢量與溫度梯度的夾角越小，則換熱強度就愈高）指導下，對直橢圓管進行數值模分析，在此基礎上結合當前典型的通過改變流道結構來實現強化換熱的強化換熱管的特點，設計了一種新的強化換熱管型--螺旋橢圓管，并對螺旋橢圓管的換熱與阻力特性進行了數值分析和研究。
2 直橢圓管的數值模擬
工程實際中有各種各樣的強化換熱管，很多管型都是由光滑直管不斷改進而得來的。因此，我們先用數值模擬的方法來分析一下直橢圓管的速度場和熱流場的分布，以及阻礙直橢圓管對流換熱的熱阻主要集中在哪個部位，從而采取合理的措施改善管內速度場和熱流場的協同，實現更好的強化傳熱效果。
3 直橢圓管的改進
由上面的分析可知，要使管內流動換熱得到強化，應使流體盡可能沿與溫度梯度平行的方向流動，從而使速度場和熱流場的協同性更好，實現更好的綜合換熱效果。而現有的通過對流動通道本身進行彎曲或扭曲、縮放等，使流體在流動過程中，隨著流道截面不斷發生變化，產生與主流方向垂直的二次流動從而強化換熱的異形管，由于沿流動方向，流動截面的不斷變化，其換熱能力確實得到了增強，但阻力也相對增加較多。因此本文的改進思路是：換熱管結構既可以誘導流體產生渦旋流動，改善速度場和熱流場的協同；又在流動方向上，流動截面保持不變，從而保證換熱強化的同時，流動阻力增加相對較小。基于這種思路本文用螺旋橢圓管代替直橢圓管，對其進行數值分析。
設計一種螺旋橢圓管，對其進行數值分析，并與相同條件下的直橢圓管進行比較，以驗證螺旋橢圓管的速度場與熱流場的協同性要比直橢圓管好，即綜合換熱效果要好，進而證明這種改進思路的可行性。
螺旋橢圓管的尺寸：長軸為10.4mm，短軸為6.4mm，螺距：100mm，取一個螺旋周期進行計算。
直橢圓管的尺寸：長軸為10.4mm，短軸為6.4mm，管長：100mm。
數值計算的條件為：①常物性，管內介質為空氣；②無滑移速度邊界Uw=0，進出口流動為周期性邊界條件，進口平均流速為：分別取0.9327m/s（Re=1000），18.654m/s（Re=20000）；③溫度邊界：定壁溫Tw=350K，進出口溫度為周期性邊界，上游溫度為：T=300K數值計算采用Fluent6.2，湍流模型采用標準k-ω模型，壓力與速度的解耦采用SIMPLEC算法，動量和能量的離散均采用QUICK格式，壁面采用強化壁面處理；計算的總網格單元數螺旋橢圓管為146038，直橢圓管為132272；計算結果如下：
4 螺旋橢圓管內流動換熱與阻力特性的數值分析
為了更好的研究螺旋橢圓管的強化換熱特性，本文對所設計的管型分別在低雷諾區（Re=200-2000）和高雷諾區（Re=10000-40000）進行計算，得出努賽爾數Nu和摩擦系數f隨Re數的變化趨勢，并與同型號直橢圓管以及經典的管內對流換熱和阻力特性關聯式（齊德--泰特（Sieder--Tate）
公式、格尼林斯基（Gnielinski）公式、Gnielinski公式）的計算結果進行對比分析。分別取Re=200，500，1000，1500，2000，10000，20000，30000，40000時的質量流量進行計算，管型及其他計算條件與上一部分相同。
5 結論
①在對流換熱的場協同理論指導下，對直橢圓管進行數值模擬研究，得出要使橢圓管傳熱增強的同時阻力增加盡可能小的有效途徑是：通過改變流道結構誘導流體盡可能沿與熱流平行的方向流動，而且沿流動方向上流動截面盡可能不發生變化。在此基礎上設計了一種強化傳熱管型--螺旋橢圓管；②對螺旋橢圓管以空氣為工質分別在低雷諾區和高雷諾區的對流換熱與阻力特性進行了數值模擬研究，結果表明：由于螺旋壁面結構誘導流體旋轉流動，使得速度場和熱流場的協同性得到改善，從而使螺旋橢圓管的綜合換熱能力得到增強。在低雷諾區，與圓管相比螺旋橢圓管的換熱增強了約60%-500%，阻力增加約50%-350%：在高雷諾區，與圓管相比其換熱能力增強了約30%-200%，阻力增加約為100%-200%。
參考文獻：
[1]楊世銘，陶文銓.傳熱學（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2006.
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