螺旋型表面強(qiáng)化管強(qiáng)化傳熱研究

1、螺旋型表面強(qiáng)化管強(qiáng)化傳熱研究方法摘要首先要講的是強(qiáng)化傳熱技術(shù)和螺旋型表面強(qiáng)化管有關(guān)的意義、背景、重要性和研究方式。在場(chǎng)協(xié)同理論指導(dǎo)下進(jìn)行螺旋槽管強(qiáng)化換熱機(jī)理探討，利用數(shù)值分析方法，從分析流場(chǎng)與溫度場(chǎng)的協(xié)同配合關(guān)系入手，研究場(chǎng)協(xié)同理論在螺旋槽管強(qiáng)化傳熱中應(yīng)用問(wèn)題。應(yīng)用Fluent軟件擬合出傳熱系數(shù)與Re關(guān)系曲線、摩擦阻力系數(shù)與Re關(guān)系曲線，Nu較大的幾個(gè)工況的模擬流場(chǎng)、速度和溫度梯度場(chǎng)。最后是將模擬得出的數(shù)據(jù)及結(jié)論與試驗(yàn)結(jié)論對(duì)比，總結(jié)得出結(jié)論意義、背景應(yīng)用廣泛動(dòng)力工業(yè)：以火力發(fā)電廠為例，蒸汽鍋爐本身就是一個(gè)大型復(fù)雜換熱器。燃料在爐膛中燃燒生成熱量，需要應(yīng)用多種傳熱方式，通過(guò)爐膛受熱面、對(duì)流蒸發(fā)受

2、熱面、過(guò)熱器及省煤器加熱工質(zhì)，使工質(zhì)汽化、過(guò)熱成為能輸往蒸汽輪機(jī)的符合要求的過(guò)熱蒸汽。此外，在鍋爐尾部還裝有利用排出煙氣加熱燃燒所需空氣的空氣預(yù)熱器。在電廠的熱力系統(tǒng)中還裝有各式給水加熱器、蒸汽凝結(jié)器、燃油加熱器等。在這些設(shè)備中也都存在各種各樣的傳熱問(wèn)題。制冷工業(yè)航空、火箭以及航天工業(yè)其它工業(yè)中的許多與加熱、冷卻、蒸餾、供暖有關(guān)的各種傳熱過(guò)程重要性換熱器在上述各種工業(yè)中，不僅是保證工程設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)的不可缺少的部件，而且在金屬消耗、動(dòng)力消耗和投資方面在整個(gè)工程中占有重要份額。據(jù)統(tǒng)計(jì)，熱電廠中，如果將鍋爐也作為換熱設(shè)備，則換熱器的投資約占整個(gè)電廠總投資的 70%左右。螺旋型表面強(qiáng)化管與換熱器不同的

3、地方在于，其管壁上具有螺旋型凹槽，近壁流體流動(dòng)時(shí)，將產(chǎn)生一附加的螺旋流動(dòng)，以提高近壁面流體和管壁間的相對(duì)速度，減薄邊界層厚度，降低熱阻，提高傳熱系數(shù)。螺旋型表面強(qiáng)化管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，用途廣泛，結(jié)垢少且易清洗，其強(qiáng)化效果明顯，與體積、消耗泵功率相同的光管式換熱器相比，螺旋槽管換熱器可以將總傳熱系數(shù)提高3540。強(qiáng)化傳熱研究方式利用模擬和可視化技術(shù)進(jìn)行研究。借助激光測(cè)速、全息攝影、紅外攝相儀等“可視化技術(shù)” 和CFD（Computational Fluid Dynamics）數(shù)值模擬軟件等，才有可能對(duì)換熱器的流場(chǎng)分布和溫度場(chǎng)分布情況進(jìn)行比較深入的了解，徹底弄清強(qiáng)化傳熱機(jī)理。進(jìn)行納米流體的研究。

4、隨著換熱器表面強(qiáng)化技術(shù)的發(fā)展，低導(dǎo)熱系數(shù)的換熱工質(zhì)已成為研究新一代高效換熱器的主要障礙。目前要實(shí)現(xiàn)更高負(fù)荷的傳熱要求，必須從工質(zhì)入手。場(chǎng)協(xié)同效應(yīng)的研究。場(chǎng)協(xié)同理論把對(duì)流換熱比擬為有內(nèi)熱源的導(dǎo)熱問(wèn)題，認(rèn)為對(duì)流換熱的強(qiáng)化不僅取決于流體的流動(dòng)和流體的物性，還取決于流場(chǎng)與溫度場(chǎng)的協(xié)同關(guān)系。采用數(shù)值計(jì)算對(duì)流場(chǎng)模擬Fluent軟件Fluent 的軟件設(shè)計(jì)基于“CFD 計(jì)算機(jī)軟件群的概念”，針對(duì)每一種流動(dòng)的物理問(wèn)題的特點(diǎn)，采用適合于它的數(shù)值解法在計(jì)算速度、穩(wěn)定性和精度等各方面達(dá)到最佳。不同領(lǐng)域的計(jì)算軟件組合起來(lái)，稱(chēng)為CFD 軟件群。從而高效率地解決各個(gè)領(lǐng)域復(fù)雜流動(dòng)的計(jì)算問(wèn)題。Fluent 軟件能夠推出多種優(yōu)

5、化的物理模型，用戶可對(duì)顯式或隱式差分格式進(jìn)行選擇，以期在計(jì)算速度、穩(wěn)定性和精度等方面達(dá)到最佳。對(duì)于三維流動(dòng)，可生成四面體、六面體、三角柱和金字塔等網(wǎng)格；結(jié)合具體計(jì)算，還可生成混合網(wǎng)格，能對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)分或粗化，或生成不連續(xù)網(wǎng)格、可變網(wǎng)格和滑動(dòng)網(wǎng)格。螺旋槽管幾何模型的建立如圖 所示螺旋槽管是用于凝汽器的實(shí)際尺寸（長(zhǎng)度實(shí)際為1200mm，為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間并考慮精度的允許，構(gòu)體時(shí)取長(zhǎng)度為500mm），以下所列為幾何尺寸。節(jié)距：10mm槽深：0.8mm單頭內(nèi)直徑：24mm厚度: 1mm長(zhǎng)度：500mm螺旋槽管強(qiáng)化傳熱網(wǎng)格劃分由于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格在實(shí)現(xiàn)復(fù)雜區(qū)域的剖分中具有強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，它可以不受邊界形狀的約束而

6、方便地實(shí)現(xiàn)合理的網(wǎng)格剖分，所以網(wǎng)格劃分采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格；考慮到計(jì)算時(shí)間問(wèn)題，沒(méi)有對(duì)螺旋槽管的螺旋形凹凸部分進(jìn)行局部網(wǎng)格加密，最后網(wǎng)格數(shù)為 23 萬(wàn)。 螺旋槽管強(qiáng)化傳熱計(jì)算模型選取采用的標(biāo)準(zhǔn)的紊流 k模型。螺旋槽管強(qiáng)化傳熱計(jì)算條件入口溫度：284k蒸汽溫度：315k外壁換熱：20000W/m2k螺旋槽管強(qiáng)化傳熱物性參數(shù)的確定螺旋槽管的材料采用銅，有關(guān)參數(shù)為：導(dǎo)熱系數(shù)：387.6W/mk比熱：381J/kgk密度：8978kg/m3數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析常用曲線模擬Kv曲線模擬fv曲線模擬基于場(chǎng)協(xié)同理論的曲線模擬流場(chǎng)模擬跡線模擬左圖反應(yīng)了傳熱系數(shù)與流速的變化關(guān)系，隨著流速增加，傳熱能力越來(lái)越強(qiáng)，但從右

7、圖又說(shuō)明傳熱得到強(qiáng)化是以增加阻力損失為代價(jià)的。這兩個(gè)圖的結(jié)論與其他學(xué)者得到的結(jié)論一致，說(shuō)明了此模擬的正確性。流場(chǎng)模擬對(duì)不同流速條件下的等溫度線和等速度線進(jìn)行了流場(chǎng)模擬，在近壁區(qū)兩者近似平行，說(shuō)明近壁區(qū)處于層流區(qū)。為了強(qiáng)化傳熱，應(yīng)減薄層流區(qū)厚度，這就需要改變壁面形狀或增大流速，之后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)也證明了這一點(diǎn)。另外速度為0.6m/s的兩幅圖的溫度等值線與速度等值線的夾角和速度為 1.2m/s 的兩幅圖的溫度等值線與速度等值線的夾角方向相反，也就是說(shuō)溫度與速度夾角方向在這兩幅圖中不同，這就可能導(dǎo)致場(chǎng)協(xié)同效應(yīng)在此兩種速度下產(chǎn)生相反趨勢(shì)的作用。跡線模擬圖 2-16 和圖 2-17 分別模擬了流速為 0.9m/s 和 1.2m/s 時(shí)的跡線，二者具有明顯的不同，旋流對(duì)強(qiáng)化換熱具有顯著影響，與試驗(yàn)結(jié)論是一致的。試驗(yàn)結(jié)論強(qiáng)化傳熱效果較好的螺旋槽管,其管內(nèi)流動(dòng)的溫度場(chǎng)與速度場(chǎng)協(xié)同較好;在影響螺旋型表面強(qiáng)化管換熱的諸因素中,槽深(螺旋凸起高度)和流速(雷諾數(shù))起主要作用，螺旋升角(相對(duì)節(jié)距)起次要作用；旋流對(duì)換熱的強(qiáng)化作用隨螺旋升角的增大而降低。結(jié)論場(chǎng)協(xié)同理論對(duì)于指導(dǎo)強(qiáng)化換熱具有重要意義，使得我們可以從簡(jiǎn)單而又清晰的物理