橫紋管內流動與傳熱性

1、2006-01-03橫紋管內流動與傳熱性橫紋管內流動與傳熱性能模擬及優(yōu)化能模擬及優(yōu)化化工過程模擬與優(yōu)化化工過程模擬與優(yōu)化項目報告項目報告學學 生生: : 洪蒙納洪蒙納 文玉良文玉良指導教師指導教師: : 陸恩錫陸恩錫 李秀喜李秀喜2 概 述 數(shù)值模擬 結果及分析 結 論 參考文獻3概概 述述 設計任務設計任務 應用目前使用較廣泛的商業(yè)CFD軟件FLUENT獲得橫紋管的傳熱與阻力性能特征，并比較同等條件下根據(jù)經(jīng)驗公式計算的光管的傳熱與阻力特性，對橫紋管的性能有一個量的認識，具體需要獲得以下數(shù)據(jù)：單位長度壓降,橫紋管阻力系數(shù),橫紋管Nusselt數(shù)。 4概概 述述 研究背景研究背景 20世紀70年

2、代 石油煉制、石油化工等裝置中應用 強化傳熱機理為:當管內流體流經(jīng)橫向環(huán)肋時, 管壁附近形成軸向渦流,增加了流體邊界層的擾動,使邊界層分離, 從而使流體傳熱強化。 5概概 述述 研究方案研究方案 利用計算機對橫紋管進行數(shù)值模擬計算。 分析模擬結果，與光管性能進行比較，得出結論。 6數(shù)值模擬數(shù)值模擬 數(shù)值模擬及數(shù)值模擬及CFDCFD概述概述 數(shù)值模擬是指對描寫流動與傳熱問題的控制方程采用數(shù)值方法 。 CFD（計算流體力學）是把原來在空間與時間坐標中連續(xù)的物理量的場（速度場、溫度場、濃度場等），用一系列有限個離散點上的值的集合來代替，再通過一定的原則建立起這些離散點上變量之間關系的代數(shù)方程（稱為離

3、散方程），最后求解所建立起來的代數(shù)方程以獲得所求解變量的近似值。 7數(shù)值模擬數(shù)值模擬 計算模型計算模型 橫紋管是具有軸對稱的粗糙管，其具體結構如下圖所示 8數(shù)值模擬數(shù)值模擬 計算工況計算工況 與光管性能進行比較，計算在充分發(fā)展條件下進行，并分別在給定速度范圍內（525m/s）選取若干個速度點進行計算，流動介質為爐膛煙氣。9數(shù)值模擬數(shù)值模擬 計算工況計算工況 煙氣的物性參數(shù)如下表 tCp 106Prkg/m3J/(kgK) W/(mK) kg/(ms)3000.61711220.048428.20.655000.45711850.065634.80.637000.36312390.082740.

4、70.619000.30112900.145.90.5810000.27513060.1094.840.5710數(shù)值模擬數(shù)值模擬 計算工況計算工況 光管經(jīng)驗公式 4 . 08 . 0PrRe023. 0sNu25. 0Re3164. 0sf 22. 0ssffNuNu11數(shù)值模擬數(shù)值模擬 控制方程控制方程 通用形式 ()()()divUdivgradSt 12數(shù)值模擬數(shù)值模擬 控制方程控制方程 連續(xù)性方程 動量方程 能量方程 0jjxukiiikikuuxxuxxpiiipixTxTucx13數(shù)值模擬數(shù)值模擬 湍流模型及邊界條件湍流模型及邊界條件 采用k雙方程模型 進口采用周期性條件 壁面采用

5、等熱流密度14數(shù)值模擬數(shù)值模擬 數(shù)值模擬過程數(shù)值模擬過程 計算區(qū)域圖 15數(shù)值模擬數(shù)值模擬 數(shù)值模擬過程數(shù)值模擬過程 二維軸對稱示意圖如右: 迭代過程圖如下 :16結果及分析結果及分析 以煙氣溫度為500，入口平均流速為15m/s 時為例 速度分布云圖 17結果及分析結果及分析壓力分布云圖 18結果及分析結果及分析溫度分布云圖 19結果及分析結果及分析 500500度時的數(shù)據(jù)度時的數(shù)據(jù)速度速度m/sm/sReynoldsReynolds數(shù)數(shù)壓降壓降Pa/mPa/m橫紋管阻力系數(shù)橫紋管阻力系數(shù)光管阻力系數(shù)光管阻力系數(shù)5 52757.762757.76105.6105.60.77610.77610

6、.04370.04377.57.54136.644136.64173.6173.60.56720.56720.03950.039510105515.525515.52267.2267.20.49110.49110.03670.036712.512.56894.46894.4350.5350.50.41230.41230.03470.034715158273.288273.28497.7497.70.40660.40660.03320.033217.517.59652.169652.16649.0649.00.38950.38950.03190.0319202011031.0411031.047

7、91.0791.00.36350.36350.03090.030922.522.512409.9212409.92979.1979.10.35550.35550.03000.0300252513788.813788.8997.8997.80.29350.29350.02920.029220結果及分析結果及分析 500500度時的數(shù)據(jù)度時的數(shù)據(jù)阻力系數(shù)阻力系數(shù)比比橫紋管橫紋管NusseltNusselt數(shù)數(shù)光管光管NusseltNusselt數(shù)數(shù)NusseltNusselt數(shù)比數(shù)比綜合因綜合因子子17.775517.775530.116230.116210.812710.81272.78532.

8、78531.47881.478814.377114.377138.703138.703114.955714.95572.58792.58791.43961.439613.376913.376948.904848.904818.826018.82602.59772.59771.46821.468211.874911.874961.557561.557522.505322.50532.73522.73521.58701.587012.256412.256470.330770.330726.039326.03932.70092.70091.55621.556212.203412.203477.725

9、777.725729.456929.45692.63862.63861.52181.521811.773111.773183.715283.715232.777932.77792.55402.55401.48471.484711.859211.859288.839188.839136.016636.01662.46662.46661.43161.431610.050610.050692.393692.393639.184039.18402.35792.35791.41921.419221結果及分析結果及分析 500500度時的數(shù)據(jù)分析結果度時的數(shù)據(jù)分析結果 橫紋管、光管的努塞爾數(shù) 橫紋管、光管

10、的努塞爾數(shù)之比 22結果及分析結果及分析 500500度時的數(shù)據(jù)分析結果度時的數(shù)據(jù)分析結果橫紋管、光管的阻力系數(shù) 橫紋管、光管的阻力系數(shù)之比 23結果及分析結果及分析 500500度時的數(shù)據(jù)分析結果度時的數(shù)據(jù)分析結果 橫紋管的綜合性能評價 24結果及分析結果及分析 不同溫度時的數(shù)據(jù)及處理結果 速度速度m/sm/s不同溫度下橫紋管的不同溫度下橫紋管的NusseltNusselt數(shù)數(shù)t=300t=300t=500t=500t=700t=700t=900t=900t=1000t=10005 551.606851.606830.127830.127821.342121.342116.832616.83

11、2614.622114.62217.57.555.674655.674639.166539.166527.204027.204020.200220.200217.615217.6152101068.037768.037750.315350.315333.868733.868724.741824.741821.372121.372112.512.581.478881.478853.704453.704440.274640.274629.422629.422625.297125.2971151587.952387.952356.295956.295946.387046.387034.086134.

12、086129.268029.268017.517.592.766992.766966.607066.607052.185052.185038.630638.630633.144533.1445202098.647698.647682.754582.754557.706957.706943.001943.001937.012937.012922.522.5105.1665105.166588.801288.801262.972762.972747.234847.234840.746340.74632525111.4325111.432593.905493.905468.026068.026051

13、.283651.283644.387044.387025結果及分析結果及分析 不同溫度時的數(shù)據(jù)及處理結果速度速度m/sm/s不同溫度下橫紋管的阻力系數(shù)不同溫度下橫紋管的阻力系數(shù)t=300t=300t=500t=500t=700t=700t=900t=900t=1000t=10005 50.75070.75070.77760.77760.74310.74310.70620.70620.60040.60047.57.50.26390.26390.57800.57800.54160.54160.49450.49450.46790.467910100.25970.25970.58800.58800.4

14、7570.47570.43800.43800.41110.411112.512.50.25210.25210.42000.42000.42110.42110.40520.40520.38160.381615150.16720.16720.34420.34420.37440.37440.38050.38050.36170.361717.517.50.18670.18670.27660.27660.33870.33870.35650.35650.34330.343320200.18840.18840.42220.42220.31170.31170.33420.33420.32930.329322.

15、522.50.15090.15090.39860.39860.29270.29270.31490.31490.31510.315125250.12260.12260.36980.36980.28110.28110.29850.29850.30210.302126結果及分析結果及分析 不同溫度時的數(shù)據(jù)及處理結果不同溫度時的數(shù)據(jù)及處理結果速度速度m/sm/s不同溫度下橫紋管的綜合因子不同溫度下橫紋管的綜合因子t=300t=300t=500t=500t=700t=700t=900t=900t=1000t=10005 51.62951.62951.47871.47871.49211.49211.579

16、51.57951.61861.61867.57.51.56431.56431.45091.45091.44161.44161.44951.44951.45641.456410101.50011.50011.45191.45191.44401.44401.42581.42581.42161.421612.512.51.49411.49411.37891.37891.45751.45751.42531.42531.41341.413415151.51051.51051.29221.29221.47401.47401.43251.43251.41581.415817.517.51.36301.363

17、01.40621.40621.48591.48591.44351.44351.42161.421620201.29041.29041.42011.42011.49291.49291.45401.45401.42921.429222.522.51.30621.30621.39541.39541.49351.49351.46321.46321.43651.436525251.32381.32381.37091.37091.48761.48761.46891.46891.44341.443427結論結論 結果表明,此種尺寸的橫紋管傳熱性能在Re為2000-16000范圍內是光管的1.8-2.8倍,阻力是光管的4.7-17.7倍,綜合性能是光管的1.29-1.63倍。在湍流范圍內,隨著Re的增大,傳熱強化效果逐漸減弱。因此,此種橫紋管在弱湍流范圍內具有較好的強化傳熱性能。28參考文獻參考文獻 Patankar S V. Numerical Heat Transfer and Fluid Flow. McGraw-Hill, New York, 1980 B.E.Launder, D.B.Spalding. Mathematical Models of Turbulence.Academic Press, New York,1972 陶文銓. 數(shù)值