水-油換熱器管道流動優(yōu)化數(shù)值模擬

題目水-油換熱器管道流動優(yōu)化數(shù)值模擬學(xué)生姓名學(xué)號專業(yè)班級設(shè)計（論文）內(nèi)容及基本要求設(shè)計要求：一、采用理論分析和CFD數(shù)值模擬方法對水-油管道流動進(jìn)行優(yōu)化數(shù)值模擬工作。對不同形式的管道流動的流動狀態(tài)以及傳熱特性進(jìn)行分析對比從而達(dá)到優(yōu)化設(shè)計的目的。二、內(nèi)容要求：1.閱讀收集技術(shù)文獻(xiàn)資料（其中期刊、會議論文不少于6篇），理解設(shè)計任務(wù)，按學(xué)校有關(guān)要求完成開題報告一份（前4周完成），包括本課題研究意義、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、研究內(nèi)容及方法、詳細(xì)的階段進(jìn)度時間計劃等內(nèi)容；2.翻譯相關(guān)外文資料一篇，原文不少于15000個印刷符號；3.熟悉并熟練掌握FLUENT數(shù)值模擬軟件，并對換熱器凹槽管管道和波紋管管道的換熱進(jìn)行數(shù)值仿真分析；4.完成設(shè)計說明書一份（30頁左右）；5.繪制有關(guān)技術(shù)圖紙,圖幅合計1張圖紙0#；6.所有正式文件均用A4紙張打印；7.提交內(nèi)容一致的電子文檔和紙質(zhì)文檔各一份；設(shè)計（論文）起止時間20年月日至20年月日設(shè)計（論文）地點指導(dǎo)教師簽名年月日系（教研室）主任簽名年月日學(xué)生簽名年月日

水-油換熱器管道流動優(yōu)化數(shù)值模擬摘要:以水作為流動介質(zhì)，應(yīng)用三維常物性不可壓縮流體穩(wěn)態(tài)湍流流動模型，對凹槽管，波紋管內(nèi)的流動及傳熱性能進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，并與光滑圓管進(jìn)行了對比。針對波紋管和凹槽管管內(nèi)流體流動的特點，波紋管采用RNGκ-ε湍流模型，凹槽管用標(biāo)準(zhǔn)流模型，對等壁溫邊界條件下管內(nèi)流體三維流動進(jìn)行數(shù)值模擬。本文研究了流速分別為0.5m/s、0.8

m/s、1.0m/s

、1.2

m/s時，在管徑16mm，管長1800mm的波紋管中的流動及傳熱特性。同時，本文對入口雷諾數(shù)分別為6000、12000、18000、24000的低溫流體流過較高壁溫的凹槽管時的流動換熱特性進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。經(jīng)過模擬計算得出了流動與換熱進(jìn)入充分發(fā)展階段時的不同截面處的溫度、速度、湍流動能分布云圖。模擬結(jié)果表明對于所選結(jié)構(gòu)的波紋管和凹槽管，換熱量隨水流速度的增加而增大，同時湍流強(qiáng)化傳熱效應(yīng)增強(qiáng)，凹槽管、波紋管均比相同管徑的光管綜合換熱性能強(qiáng)。關(guān)鍵詞：強(qiáng)化傳熱；凹槽管；波紋管；數(shù)值模擬；傳熱特性

Numerical

Simulation

for

Flow

Optimization

of

Water

Oil

Heat

Exchanger

PipesAbstract:Thefluidflowcharacteristicsandheattransferperformanceinflutedtubeandcorrugatedtubeswerenumericallyinvestigatedandcomparedwithsmoothtube.Itisthree—dimensionalsteadyincompressibleturbulenceflowandwaterastheworkingmedium．Duetothespecialcharacteristicsofflowfield,corrugatedtubeswasperformedbyusingtheRNGk–εturbulencemodelandflutedtubewasperformedbyusingthestandardk-εturbulencemodelforthewalltemperatureisconstantinthetubes.Thecharacteristicsofturbulentflowandheattransferincorrugatedtubesofthediameter16mmandthelength18000mmwerestudiedindifferentconditionofthevelocityofflowat0.5m/s,0.8m/s,1.0m/s,1.2m/s.Atthesametime,thecaseswhichthefluidindifferentReynoldsnumberof6000,12000,18000,24000flowsoverflutedtubewithhigherwalltemperatureweresimulated.Thetemperature,velocitydistribution,pressure,turbulenceintensityatdifferentsectionsforfullydevelopedfluidwereobtained,whichwerecomparedwiththeresultsofsmoothtubes.Thenumericalresultsshowedthatthequantityofheattransferincreasedwiththerisenofthevelocity,andturbulentenhancedastheheattransferstrengthened.Itwasfoundthatthecorrugatedtubesandflutedtubecansignificantlyenhancetheheattransferunderthesamediametercondition.Keywords:corrugatedtubes;flutedtube;Heattransferenhancement;Numericalsimulation;Heattransfer②是由流體相關(guān)物性參數(shù)所組成的一個無量綱數(shù),多用來表明溫度邊界層和速度邊界層之間的關(guān)系,其值的大小反映流體物理性質(zhì)對對流換熱過程的影響強(qiáng)弱。其定義為:（2-5）上式中,為運動粘度;為熱擴(kuò)散系數(shù);為定壓比熱容。2.2數(shù)值模擬計算方法2.2.1FLUENT簡介作為CFD軟件包的一種,FLUENT對流體運動數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性和專業(yè)性越來越得到研究人員的廣泛認(rèn)可,使其成為國際上非常流行的商用CFD軟件,其在美國的市場占有率超過60%,凡是和流體、熱量傳遞和化學(xué)反應(yīng)等相關(guān)的行業(yè)均可以采用。FLUENT具有豐富的物理模型、先進(jìn)的數(shù)值計算方法和強(qiáng)大的前后處理器功能,在流體機(jī)械、車輛工程、石油化工和航空航天等相關(guān)方面都有非常廣泛的應(yīng)用。另外,FLUENT還提供有用戶自定義函數(shù)(UDF),可以方便研究人員改進(jìn)和完善所采用的計算模型,從而可以更加方便的處理個性化的問題。用FLUENT軟件求解問題,一般需要用到三大部分軟件:前處理軟件、求解器、后處理軟件。其中前處理軟件的主要功能是創(chuàng)建研究對象的幾何模型,對幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分操作并設(shè)置相應(yīng)的邊界條件,主要軟件包括GAMBIT、TGrid、prePDF、GeoMesh等。GAMBIT用于幾何模型的創(chuàng)建和相應(yīng)的網(wǎng)格劃分操作,可以生成FLUENT直接使用的網(wǎng)格文件,另外FLUENT還提供各類CAD/CAE軟件包與GAMBIT的接口,這樣就大大增強(qiáng)了前處理器對復(fù)雜幾何模型的建模能力;求解器是FLUENT流體計算的核心,其主要功能是導(dǎo)入由前處理器或其他CAD/CAE軟件包所生成的網(wǎng)格文件、選擇流體計算的物理模型、確定材料屬性、施加相應(yīng)的邊界條件、流場初始化、仿真計算和后處理等;一旦所生成的網(wǎng)格文件成功讀入到FLUENT中,所有剩下的操作都可以在FLUENT里面完成,其中包括選擇流體計算的物理模型、確定材料屬性、設(shè)置相應(yīng)的邊界條件、流場初始化、仿真求解、根據(jù)計算結(jié)果進(jìn)一步優(yōu)化網(wǎng)格質(zhì)量、對仿真結(jié)果進(jìn)行相關(guān)的后處理操作等;FLUENT本身附帶有強(qiáng)大的后處理功能,可以進(jìn)行一些圖像顯示、動畫生成、生成計算報告等操作。此外,用戶還可以借助專業(yè)的后處理軟件Tecplot或CFD-Post進(jìn)行相關(guān)的后處理操作,不僅可以繪制函數(shù)曲線、二維圖形,還可以根據(jù)實際需要進(jìn)行三維面繪圖和三維體繪圖,同時還可以提供多種多樣的圖形格式。當(dāng)遇到一個需要用FLUENT求解的流體問題時,我們需要按照一定的思路對所要求解的問題進(jìn)行分析,制定出相應(yīng)的求解方案。FLUENT的求解思路一般分為以下幾步:(1)確定計算目標(biāo)確定通過FLUENT仿真需要得到什么樣的結(jié)果,如何得到這些結(jié)果,這些結(jié)果需要采用什么樣的精度設(shè)置;(2)選擇計算區(qū)域?qū)λ獢?shù)值模擬的整個物理模型系統(tǒng)進(jìn)行抽象概括和相應(yīng)的簡化處理操作,確定出計算區(qū)域具體包括哪些區(qū)域,在模型計算區(qū)域的邊界上需要使用什么樣的邊界條件,幾何模型需要采用二維處理還是三維處理,哪些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)最適合所要研究的對象;(3)選擇物理模型由于FLUENT中每一種具體的物理模型都有其相關(guān)的參數(shù)設(shè)置,所以在進(jìn)行數(shù)值模擬前,我們需要考慮好選擇什么樣的物理模型;(4)決定求解過程我們需要確定所要研究的對象是否可以直接利用FLUENT現(xiàn)有的計算公式和算法求解,是否還需要我們提供其它一些相關(guān)的參數(shù),是否可以通過修改一些相關(guān)的參數(shù)設(shè)置來使數(shù)值仿真更快收斂。在分析完上面四個方面的問題以后,我們就可以對FLUENT的整體計算過程有一個清晰認(rèn)識,這樣就可以較正確的開始使用FLUENT進(jìn)行數(shù)值仿真了[6]。2.2.2數(shù)值模擬思想與理論在科技發(fā)達(dá)的今天，產(chǎn)品的研發(fā)具有快節(jié)奏的特點，強(qiáng)大的數(shù)值仿真技術(shù)已成為提高競爭力的關(guān)鍵因素之一。仿真的價值不僅僅是能夠引導(dǎo)設(shè)計，而且能夠用來開發(fā)探索那些新穎的，富有創(chuàng)造性的設(shè)計思路。在對流傳熱問題的研究中，數(shù)值計算方法已經(jīng)得到的長期的使用，其可靠性較好，數(shù)值結(jié)果貼近實際，能幫助我們精確分析研究中的關(guān)鍵影響因素，并能給出優(yōu)化的設(shè)計建議。本文利用Fluent軟件對相同管徑的光滑圓管與波紋管，和相同管徑的凹槽管與光滑圓管管內(nèi)流體的流動狀態(tài)和特性進(jìn)行數(shù)值研究。現(xiàn)實的世界中，流體流過固體表面發(fā)生的對流傳熱在時間和空間上都具有連續(xù)性，在數(shù)學(xué)上我們描述各種流體流動與傳熱現(xiàn)象時采用的是偏微分方程加上各種邊界條件的形式，雖然在數(shù)學(xué)上已經(jīng)有了不少解析解，但是對于絕大部分工程應(yīng)用，常采用數(shù)值分析的方法得到實際問題的近似解。數(shù)值傳熱學(xué)的基本思想就是：把時間和空間上連續(xù)的物理場離散化，用有限離散點處的變量值的集合來近似替代，通過離散方程建立離散點上各個變量之間的關(guān)系，然后求解代數(shù)方程來獲得各個變量的近似解。2.2.3流動與傳熱問題的控制方程流體的流動與對流傳熱必須遵守三大守恒定律：質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律，下面列出了這些定律微分形式的控制方程[7]。質(zhì)量守恒方程（2-6）式中為密度（）,t為時間（s）,,,為速度在x,y,z三個方向的分量（m/s）動量守恒方程（2-7）（2-8）（2-9）式中P為壓強(qiáng)（），、、粘滯力的分量（），、、為單位質(zhì)量力的三分分量（）能量守恒方程（2-10）式中E為流體微團(tuán)的總能，為焓，為有效熱傳導(dǎo)系數(shù)，為組分的擴(kuò)散通量，為體積熱源項。2.2.4湍流模型湍流是工程領(lǐng)域中比較常見的流體流動狀態(tài)，其重要性不言而喻。Fluent提供了豐富的湍流計算模型，工程上最常用的是和這兩類模型。標(biāo)準(zhǔn)（SKE）模型參數(shù)通過試驗數(shù)據(jù)校驗過，多數(shù)情況下具有合理的精度和穩(wěn)定性，但是對強(qiáng)分離流、強(qiáng)旋轉(zhuǎn)流、大壓力梯度及大曲率流動模擬精度不夠；RNG模型（重組化群模型）方程中的常數(shù)由重正規(guī)化群理論分析得到，修正了耗散率方程，對一些復(fù)雜的剪切流，含有漩渦、分離的流動效果比SKE要好；Realizable模型（可視化模型RKE）其耗散率()方程由旋渦脈動的均方差導(dǎo)出，適用范圍比較廣，精度高于RNG模型，對旋轉(zhuǎn)，分離，回流等現(xiàn)象能夠更好的預(yù)測。標(biāo)準(zhǔn)方程模型是建立在如下假設(shè)基礎(chǔ)上的：流體為完全湍流流動，忽略分子粘性。湍動能k方程為：（2-11）耗散率方程為：（2-12）這兩個方程中和分別表示平均速度梯度和浮力因素引起的湍動能；表示總耗散率受到脈動膨脹的影響。其中大小為1.44，大小為1.92，大小為0.09，和為湍流普朗特數(shù)，大小分別為1.0，1.32.2.5SIMPLE算法在對控制方程離散化之后，可建立相應(yīng)的離散方程，但是除了如已知速度場求溫度分布這類簡單的問題外，所生產(chǎn)的離散方程不能直接用來求解，還必須對離散方程進(jìn)行某種調(diào)整，并且對各未知量(速度、壓力、溫度等)的求解順序及方式進(jìn)行特殊處理。SIMPLE算法是目前工程上應(yīng)用最為廣泛的一種流場計算方法，它屬于壓力修正法的一種。SIMPLE是英文Semi．ImplicitMethodforPressure—LinkedEquations的縮寫，意為“求解壓力耦合方程組的半隱式方法’’。該方法由Patankar與Spfldmg于1972年提出，它的核心是采用“猜測．修正’’的過程，在交錯網(wǎng)格的基礎(chǔ)上來計算壓力場，從而達(dá)到求解動量方程的目的。SIMPLE算法的基本思想可以描述如下：對于給定的壓力場，求解離散形式的動量方程，得到速度場。因為壓力場是假定的或不精確的，由此得到的速度場一般不滿足連續(xù)方程，因此必須對給定的壓力場加以修正。修正的原則是：與修正后的壓力場相對應(yīng)的速度場能滿足這一迭代層次上的連續(xù)方程。據(jù)此原則，把動量方程的離散形式所規(guī)定的壓力與速度的關(guān)系代入連續(xù)方程的離散形式，從而得到壓力修正方程，由壓力修正方程得出壓力修正值。接著，根據(jù)修正后的壓力場，求得新的速度場，然后檢查速度場是否收斂。若不收斂，用修正后的壓力值作為給定的壓力場，開始下一層次的計算。如此反復(fù)，直到獲得收斂的解[7]。

第3章基于Fluent的換熱器管道流場模擬3.1強(qiáng)化換熱凹槽管內(nèi)流動與傳熱數(shù)值模擬3.1.1問題概述本研究采用Gambit前期軟件建立模型，研究強(qiáng)化換熱管為凹槽管在不同速度下的傳熱特性以及流動狀態(tài)，并與相同尺寸的普通光滑圓管對比分析。管壁材料都為銅，其物性參數(shù)為=8978，=381，=387.6。圖3-1為光滑圓管物理模型，圖3-2為凹槽管的物理模型。光滑圓管與凹槽管的管徑均為0.03m。凹槽管的總長度為0.54m，高為0.003m，每隔0.04m有一個寬為0.01m的凹槽，共10個[8]。圖3-1光滑圓管物理模型圖3-2凹槽管的物理模型管壁為恒溫，管內(nèi)有低溫水流過。高溫管壁向管內(nèi)的低溫水傳遞熱量。忽略重力影響，入口處水的初溫為300K，湍流度為15％管內(nèi)流體雷諾數(shù)變化范圍為。本研究采用常物性不可壓縮流體的三維穩(wěn)態(tài)湍流模型，控制方程包括：質(zhì)量守恒方程、動量方程、能量方程以及標(biāo)準(zhǔn)模型方程。采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對所建立的幾何模型計算區(qū)域進(jìn)行離散，利用有限體積法離散方程、非耦合的穩(wěn)態(tài)隱式格式求解。采用標(biāo)準(zhǔn)湍流模型計算模擬管內(nèi)湍流時的流動和傳熱情況。壓力與速度的耦合計算采用SIMPLE方法，動量、湍動動能、湍流脈動耗散率以及能量方程為二階迎風(fēng)格式。邊界條件的設(shè)置：入口為速度邊界條件；出口為流動出口邊界條件；壁面采用無滑移壁面條件，忽略壁面厚度，采用恒壁溫條件，壁溫為350K。流體的入口速度和雷諾數(shù)見表。為了與光滑圓管的換熱效果進(jìn)行對比，模擬光滑管時其模型和邊界條件和凹槽管一致。表3-1流體的入口速度和相應(yīng)的雷諾數(shù)雷諾數(shù)6000120001800024000入口速度m/s0.1610.3220.4830.6443.1.2Fluent的計算步驟3.1.2.1處理網(wǎng)格網(wǎng)格處理包括網(wǎng)格的輸入、檢查、光順、比例轉(zhuǎn)換和顯示等操作。讀入網(wǎng)格文件，進(jìn)行網(wǎng)格檢查。控制臺窗口中會顯示與網(wǎng)格有關(guān)的信息，包括網(wǎng)格空間范圍、體積信息、表面積信息、節(jié)點信息等等。網(wǎng)格中存在的任何錯誤都會出現(xiàn)在這個信息報告中，其中最需要檢查的是網(wǎng)格單元的體積不能為負(fù)值，否則計算將無法繼續(xù)下去。本例網(wǎng)格良好無錯誤。按比例調(diào)整網(wǎng)格，調(diào)整單位，統(tǒng)一單位為m。顯示網(wǎng)格。由于面板顯示太小，我們將局部放大顯示網(wǎng)格可以清晰的看到網(wǎng)格分布，如圖3-3。圖3-3網(wǎng)格顯示3.1.2.2計算模型設(shè)置求解器參數(shù)，選擇三維非耦合的穩(wěn)態(tài)隱式格式求解。模型選擇標(biāo)準(zhǔn)湍流模型k-epsilon(2eqn)，即兩方程模型。接受系統(tǒng)對模型的缺省設(shè)置。然后啟用能量方程并激活能量計算（在打開的對話框EnergyEquation左側(cè)選擇框內(nèi)打勾）3.1.2.3定義材料性質(zhì)在材料庫中選擇液態(tài)水，并復(fù)制其屬性。密度998.2,比熱容=4182，熱導(dǎo)率，粘度。3.1.2.4定義邊界條件將流體材料設(shè)置為液態(tài)水（water-liquid），速度入口邊界條件速度設(shè)為0.483m/s湍流強(qiáng)度為15%，湍流長度0.0021m(0.07倍的水力直徑)，入口溫度為300K。流動出口邊界，F(xiàn)lowRateWeighting設(shè)為1。壁面材料屬性設(shè)為銅，密度8978，比熱381，熱導(dǎo)率387.6。設(shè)定溫度為350K。3.1.2.5求解過程參數(shù)設(shè)置完畢并檢查無誤后，便可以開始流場計算，壓力與速度的耦合計算采用SIMPLE方法，動量、湍動動能、湍流脈動耗散率以及能量方程為二階迎風(fēng)格式。如圖3-4，初始化流場，設(shè)置殘差監(jiān)視器開始迭代計算，經(jīng)過九十多次計算后結(jié)果收斂。圖3-4求解方式面板圖3-5殘差圖3.1.3凹槽管與光滑圓管模擬結(jié)果對比分析選定凹槽管與光滑圓管在垂直軸線X軸三個不同位置處，速度，溫度以及湍動能分布云圖，對比分析。如圖3-6和圖3-7分別表示凹槽管和光滑圓管在入口速度V=0.483m/s時，在三個不同位置截面處的速度場云分布圖。圖3-9和圖3-10分別表示凹槽管和光滑圓管在入口速度V=0.483m/s時，在三個不同位置截面處的溫度場分布云圖，圖3-11和圖3-12分別表示凹槽管和光滑圓管在入口速度V=0.483m/s時，在三個不同位置截面處的湍動能分布云圖。X=0.13mX=0.13mX=0.27mX=0.27mX=0.40mX=0.40m圖3-6V=0.483m/s凹槽管內(nèi)不同圖3-7V=0.483m/s光滑圓管不同截面處速度場分布云圖截面處速度場分布云圖3.1.3.1速度場分析從圖3-6和圖3-7中可以看出，光滑管內(nèi)流體的流動速度在近壁面處梯度比管內(nèi)其它地方的速度梯度顯然要大，在管道中間部分流體的速度梯度相對來說比較穩(wěn)定，而且在流道中間部分的流體流速最大，管內(nèi)流體的流動速度沿著垂直于傳熱管軸向的方向在不斷地變小，同時流體流動速度方向不沿管道軸向發(fā)生改變，這是由于壁面剪切力的存在造成的，在傳熱管內(nèi)近壁面處的流體的流動速度比其它地方的速度要小。同樣在凹槽管內(nèi)流體的流動速度也是在管道中間部分最大，在壁面處流體流動速度較小，尤其是凹槽的凸起里面的流體。比較圖3-6和圖3-7光滑圓管和凹槽管速度場，可以從這兩個圖中觀察到，光滑圓管管內(nèi)流體的流動比較平穩(wěn)，沿著流體流動的方向流體的速度平坦而且速度方向沒有任何改變。相比之下，凹槽管內(nèi)的流體在流動過程中速度變化梯度比較明顯，而且在凹槽管的壁面處的流體速度方向和光滑管的截然不同，它的速度方向發(fā)生了變化，所以凹槽傳熱管對管內(nèi)流體的擾動更加劇烈。圖3-8V=0.483m/s凹槽管與光滑圓管內(nèi)速度矢量分布圖本例還截取了凹槽管和光滑圓管管內(nèi)速度矢量圖，對其部分進(jìn)行了局部的放大，如圖3-8。這有助于我們清晰地觀察凹槽管管內(nèi)介質(zhì)的流動形態(tài)。光滑傳熱管內(nèi)流體的流動速度方向和流體的流動方向是平行的，而且流體的流動速度的分布平坦，所以管內(nèi)流體就不能很好地對邊界層進(jìn)行擾流，這樣熱量就不能夠得到有效的傳遞。相較于光滑管，凹槽管凸起的管壁面對流體的流動產(chǎn)生了引導(dǎo)，同時凹槽管的凸起部分對流體又有擾動，所以凹槽管內(nèi)的流體比光滑管的多了兩種流動方式：一個是沿著凸起流動形成了流體的螺旋運動，這樣近壁面處流體和傳熱管管壁之間的相對速度就會增加，那么對流體熱邊界層的擾動作用就越強(qiáng)，最終會減少管內(nèi)傳熱過程中產(chǎn)生的熱阻；一個是流體邊界層的分離然后再附著，也即就是流體在近壁面處因受到凸起管節(jié)的擾動而在傳熱管管壁上產(chǎn)生了旋渦狀的流動狀態(tài)。流體在流動的過程中不斷地剝離和附著以及旋轉(zhuǎn)就增強(qiáng)了對熱邊界層的擾動，也就促使了邊界層因破壞而導(dǎo)致厚度變薄，這樣有利于熱量通過邊界層進(jìn)行傳遞。在這兩種方式共同的作用下，凹槽換熱管管內(nèi)的傳熱得到了強(qiáng)化，這也是凹槽管的強(qiáng)化傳熱效果比光滑管的傳熱效果更加明顯的原因[9]。3.1.3.2溫度場分析圖3-9和圖3-10分別為當(dāng)管內(nèi)流體的流動速度為0.483m/s時凹槽管和光滑圓管垂直軸線不同截面處溫度場的分布圖。觀察這兩個圖，可以發(fā)現(xiàn)，光滑管和凹槽管內(nèi)流體沿著換熱管軸向溫度不斷地升高，造成流體溫度沿著流動的方向變化的原因是：換熱管壁面溫度比換熱管內(nèi)流體的溫度要高，這樣換熱管中的流體就相當(dāng)于被加熱了，近壁面處的流體溫度比中心處的溫度要高，越接近管道壁面，流體溫度升高的幅度就越大，溫度逐漸的向管中心擴(kuò)散，而且越靠近管道的出口溫度就越高。對比X=0.13mX=0.13mX=0.27mX=0.27mX=0.40mX=0.40m圖3-9V=0.483m/s凹槽管內(nèi)不同圖3-10V=0.483m/s光滑圓管內(nèi)不同截面處溫度場分布云圖截面處溫度場分布云圖圖3-9和圖3-10可以看出，沿著管道軸向凹槽管內(nèi)流體的溫升比光滑管的溫升快，也即是凹槽管內(nèi)流體的溫度改變的速度比光滑管的溫度改變的速度要快，且比光滑管內(nèi)流體溫度變化的范圍要寬且快很多，這就可以說明凹槽管的換熱效果比光滑管的換熱效果要更好。3.1.3.3湍動能場分析圖3-11和圖3-12分別為當(dāng)管內(nèi)流體的流動速度為0.483m/s時凹槽管和光滑圓管垂直軸線不同截面處湍動能場的分布圖。觀察這兩個圖，可以發(fā)現(xiàn)，光滑圓管內(nèi)流體流動時，越靠近壁面湍動能變化梯度越大，而三個不同截面的湍動能值變化明顯，兩圖比較可知，凹槽管外型波峰的存在，湍動能值增大且變化劇烈，湍動能大，X=0.13mX=0.13mX=0.27mX=0.27mX=0.40mX=0.40m圖3-11V=0.483m/s凹槽管內(nèi)不同圖3-12V=0.483m/s光滑圓管內(nèi)不同截面處湍動能場分布云圖截面處湍動能場分布云圖則對流體的擾動作用強(qiáng)，增強(qiáng)了管內(nèi)流體與管壁間的對流傳熱性能，起到了對流體傳熱的強(qiáng)化作用。3.1.4強(qiáng)化傳熱特性分析由于傳熱管管徑不變，雷諾數(shù)與流體速度成正比。雷諾數(shù)增加意味著流體速度的增加。圖3-13和圖3-14為出口總換熱量、流體出口溫度與雷諾數(shù)的變化關(guān)系。數(shù)據(jù)見表3-2，表3-3。不論是光滑管還是凹槽管，由于管長一定，當(dāng)流體速度增加時，流體在管內(nèi)的受熱時間縮短，因此流體的出口溫度隨雷諾數(shù)的增加會降低但由于流體流量也在增加，總的換熱量也隨雷諾數(shù)的增加而升高。從圖中看出相對于光滑圓管，凹槽管內(nèi)流體的出口溫度和換熱量均有較大提高。這是由于管內(nèi)水流受到管內(nèi)表面凹槽的擾動時加快了流體分離，削弱了凹槽內(nèi)邊界層的厚度，同時使主流流體的湍流程度加大，強(qiáng)化了換熱。同時重慶大學(xué)動力工程學(xué)院閆云飛,張力,黃昕等人通過實驗研究發(fā)現(xiàn)凹槽高度越大，流體出口溫度和換熱量也越大。原因是凹槽越高，引起的渦流強(qiáng)度越大，邊界層表面更新更為劇烈，傳熱效果更好。凹槽管出口總換熱量比圓管提高24%。可見凹槽管的換熱性能比圓管好得多。圖3-13出口總換熱量與雷諾數(shù)的關(guān)系表3-2出口總換熱量與雷諾數(shù)的關(guān)系雷諾數(shù)Re出口總換熱量/W凹槽管圓管600046583732120007351608618000109078699240001377810980表3-3出口溫度與雷諾數(shù)的關(guān)系雷諾數(shù)Re出口溫度/K凹槽管圓管6000314308120003103071800030830724000307306圖3-14流體出口溫度與雷諾數(shù)的關(guān)系3.1.5阻力特性凹槽管在增強(qiáng)換熱的同時，流動阻力也有不同程度地增加。流速增加時，摩擦阻力及局部阻力均增加，因此光滑管與凹槽管的阻力均增大。凹槽管的阻力約為光滑管阻力的2-2.5倍。當(dāng)雷諾數(shù)大于15000時，光滑管阻力增加幅度減小，而凹槽管的阻力基本成線性增加。這是由于低雷諾數(shù)時，粘性力占主導(dǎo)地位，阻力系數(shù)較大；高雷諾數(shù)時，慣性阻力占主導(dǎo)地位，阻力系數(shù)較小。凹槽管的阻力增大，主要是由于流體流經(jīng)凹槽壁面時，產(chǎn)生邊界層分離和漩渦，導(dǎo)致流體流動阻力增大。凹槽的高度越大，阻力也越大。凹槽結(jié)構(gòu)在提高換熱性能的同時，需要提供更多的泵功。表3-4雷諾數(shù)與進(jìn)出口壓差關(guān)系雷諾數(shù)Re進(jìn)出口壓差/Pa凹槽管圓管60002914120007533180002087724000289115圖3-15流體進(jìn)出口壓差與雷諾數(shù)關(guān)系3.2強(qiáng)化換熱波紋管內(nèi)流動與傳熱數(shù)值模擬上文中已經(jīng)對凹槽管與光滑圓管的傳熱性能進(jìn)行了對比研究分析，為了進(jìn)一步從換熱性能上研究換熱管換熱特性，本節(jié)將對波紋管管內(nèi)流體流動特性以及流動狀態(tài)進(jìn)圖3-16波紋管尺寸及物理模型行三維數(shù)值模擬并與相同截面尺寸的光滑圓管流動特性以及流動狀態(tài)對比分析。波紋管是一種能同時強(qiáng)化管內(nèi)和管外傳熱的雙面強(qiáng)化管。如圖3-16所示，由依次交替的弧形段(波峰)和直線段組成，由于斷面改變，使弧形段內(nèi)壁處發(fā)生兩次反向擾動，較大地破壞了邊界層的熱阻層，加大了流體的湍動程度，因而強(qiáng)化了傳熱[10]。3.2.1數(shù)值模型在建立模型時，對管內(nèi)流動作如下假設(shè)：(1)流體為不可壓縮流體，并且為充分發(fā)展的湍流流動；(2)流體物性不隨溫度發(fā)生變化；(3)忽略重力的影響；(4)所有界面和接觸表面不變形，液—固接觸面為無滑移邊界；(5)管壁很薄，忽略壁厚對傳熱的影響，將壁厚設(shè)置為0；(6)不考慮流體中的粘性耗散[10]；3.2.1.1控制方程根據(jù)以上假設(shè)，由于是定常不可壓流動，則采用三維不可壓縮流動的質(zhì)量守恒方程式（2-6）動量守恒方程（2-7,2-8，2-9）能量守恒方程（2-10）3.2.1.2邊界條件本文模擬計算過程涉及到兩種邊界條件：速度入口和流動出口。將流體材料設(shè)置為液態(tài)水（water-liquid），初始溫度為17℃，即273+17=290K，圓管和波紋換熱管的壁面采用恒壁溫條件，壁溫為45℃，即273+45=318K。壁面材料默認(rèn)Fluent的材料物性參數(shù)。速度入口邊界條件速度設(shè)為速度大小與方向。入口速度大小分別取0.5、0.8、1.0、1.2，方向垂直于進(jìn)口截面，各流速對應(yīng)的雷諾數(shù)分別為6570、10511、13139、15767；湍流參數(shù)選取湍流強(qiáng)度5%，水力直徑16mm。3.2.1.3網(wǎng)格劃分四面體是三維空間最簡單的形狀，任何空間區(qū)域都可以被四面體單元所填滿，即任何空間都可以被以四面體為單元的網(wǎng)格所劃分。由于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格舍去了網(wǎng)格節(jié)點的結(jié)構(gòu)性限制，節(jié)點和單元的分布是任意的，易于控制網(wǎng)格單元的大小、形狀和網(wǎng)格點的位置，因而比結(jié)構(gòu)網(wǎng)格具有更大的靈活性，對復(fù)雜外形的適應(yīng)能力強(qiáng)，能較好的處理物面邊界。針對本文中計算區(qū)域的幾何結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的情況，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對計算區(qū)域進(jìn)行離散化，網(wǎng)格劃分的步長為1.8mm。如圖3-17。圖3-17波紋管圓管網(wǎng)格形式

3.2.1.4求解方法圓管采用標(biāo)準(zhǔn)k?ε湍流模型，波紋管采用RNGk?ε湍流模型，采用二階迎風(fēng)差分法對控制方程進(jìn)行離散，采用SIMPLE算法進(jìn)行壓力修正。定義收斂的條件為殘差絕對值小。波紋管在經(jīng)過一百三十多次計算后結(jié)果收斂，圓管經(jīng)過一百七十多次計算結(jié)果收斂。殘差圖如下圖3-18波紋管在速度為1.0m/s時殘差圖圖3-19圓管在速度為1.0m/s時殘差圖

3.2.2模擬結(jié)果對比及分析3.2.2.1速度場分析以進(jìn)口流速V=1.0m/s為例，截取垂直于中心軸的三個截面，，，分析流體在圓管和波紋管中相同位置處速度的變化，結(jié)果如圖3-20和圖3-21。X=0.7mX=1.02mX=1.35m圖3-20V=1.0m/s波紋管內(nèi)不同圖3-21V=1.0m/s光滑圓管內(nèi)不同截面處速度分布云圖截面處速度分布云圖從圖3-20和圖3-21中可以看出，光滑圓管內(nèi)的流動速度比波紋管里的流動速度快，光管近壁面的速度邊界層較薄，并且在流動過程中保持不變，因此相較于光管，波紋管內(nèi)部產(chǎn)生的渦旋對流體的擾動較強(qiáng)。光滑管內(nèi)流體的流動速度在近壁面處梯度比管內(nèi)其它地方的速度梯度顯然要大，在管道中間部分流體的速度梯度相對來說比較穩(wěn)定，而且在流道中間部分的流體流速最大，管內(nèi)流體的流動速度沿著垂直于傳熱管軸向的方向在不斷地變小，同時流體流動速度方向不沿管道軸向發(fā)生改變，這是由于壁面剪切力的存在造成的，在傳熱管內(nèi)近壁面處的流體的流動速度比其它地方的速度要小。同樣在波紋管內(nèi)流體的流動速度也是在管道中間部分最大但沒有圓管中的大，在壁面處流體流動速度較小，尤其是波紋的波峰里面的流體。為了更清晰地看清二者管內(nèi)的流動現(xiàn)象，我們在這里取波紋管和光滑圓管內(nèi)流體流動的矢量圖分析，結(jié)果如圖3-22和圖3-23。圖3-22波紋管速度矢量圖由兩圖中可以清楚地看出，在遠(yuǎn)離壁面處的流速基本與入口流速相同，且不沿流向變化，而由于壁面剪切應(yīng)力的作用，近壁處的速度較小，并且越接近管壁速度越小，直到壁面上的速度為零。在光滑圓管中的流體徑向速度與主流速度相比很小，說明圓管中流體的換熱主要靠導(dǎo)熱作用。而在波紋管中的流體經(jīng)過波峰時，管壁處形成徑向漩渦，增加了流體邊界層的擾動，促使邊界層表面更新加劇，有利于使熱量通過邊界層進(jìn)行傳遞。當(dāng)渦流將要消失時，流體又經(jīng)過下一個波紋，保證了連續(xù)穩(wěn)定的強(qiáng)化換熱作用。圖3-23光滑圓管速度矢量圖隨著流體的流動，波紋管近壁面區(qū)域的速度邊界層逐漸減薄，并且在波紋的下游區(qū)域減小到最薄，這是由于流體在波紋內(nèi)分離為三個方向的流動，一部分是沿波紋做周向運動，一部分做徑向運動，一部分沿著原來的流動方向做軸向運動，這三個方向的流動在波紋的近壁面合成為復(fù)雜的脫體渦旋，從而在很大程度上破壞了速度邊界層，在近壁處引起了擾動。光管在近壁面的速度邊界層較薄，并且在流動過程中保持不變，因此相較于光管，波紋管內(nèi)部產(chǎn)生的渦旋對流體的擾動較強(qiáng)，利于換熱。3.2.2.2湍動能分析同樣截取垂直軸線X方向上三個不同位置處的截面，對比分析在相同位置截面處，波紋管和圓管的湍動能變化情況。X=0.7mX=1.025mX=1.353m圖3-24V=1.0m/s波紋管內(nèi)不同圖3-25V=1.0m/s光滑圓管內(nèi)不同截面處湍動能分布云圖截面處湍動能分布云圖從圖中可以看出，隨著流體的流動，在波紋管的近壁面處產(chǎn)生了湍動能變化，且增大幅度明顯。流體在圓管中流動時，越靠近壁面湍動能變化梯度越大，而在三個不同截面的湍動能值變化不明顯，且沒有湍流中心；兩圖比較可知，波紋管外型由于波峰的存在，湍動能值增大且變化劇烈，湍動能大，則對流體的擾動作用強(qiáng)，延長了流體在管中的停留時間，使得換熱時間延長。增強(qiáng)了管內(nèi)流體與管壁間的對流傳熱性能，起到了對流體傳熱的強(qiáng)化作用。3.2.2.3溫度場分析以上分析了波紋管和圓管里的速度以及湍動能場分布，這里我們分析一下管內(nèi)的溫度場分布，分布云圖如圖3-26，圖3-27所示。X=0.7mX=1.025mX=1.353m圖3-26V=1.0m/s波紋管內(nèi)不同圖3-27V=1.0m/s光滑圓管內(nèi)不同截面處溫度分布云圖截面處溫度分布云圖觀察這兩個圖可以發(fā)現(xiàn)，波紋管和光滑圓管內(nèi)流體沿著換熱管軸向溫度不斷升高，造成流體溫度沿著流動方向變化的原因是：換熱管壁面溫度比換熱管內(nèi)流體的溫度要高的多，這樣換熱管中的流體就相當(dāng)于被加熱了，近壁面處的流體溫度要比中心處的溫度高。越接近管道壁面，流體溫度升高的幅度就越大，溫度逐漸的向管中心擴(kuò)散，而且越靠近管道的出口溫度就越高。對比圖3-26和3-27可以看出，沿著管道軸向波紋管管內(nèi)流體的溫升比光滑管的溫升快，也即是波紋管管內(nèi)流體的溫度改變的速度比光滑管的溫度改變的速度要快，且比光滑管內(nèi)流體溫度變化的范圍要寬，這就可以說明波紋管的換熱效果比光滑管的換熱效果要更好。3.2.3強(qiáng)化傳熱特性分析通過模擬軟件Fluent計算得出不同雷諾數(shù)與出口總換熱量以及出口溫度的關(guān)系。繪制成圖3-28和圖3-29所示的出口總換熱量和出口溫度隨雷諾數(shù)變化的曲線圖。由圖可知，不論是光滑圓管還是波紋管，由于管長一定，當(dāng)流體速度增加時，流體在管內(nèi)的受熱時間縮短，使得對流換熱時間縮短。因此流體的出口溫度隨雷諾數(shù)的增加也即流體流流速的增加會降低但由于流體流量也在增加，總的換熱量也隨雷諾數(shù)的增加而升高。從圖中看出相對于光滑圓管，波紋管內(nèi)流體的出口溫度和換熱量均有較大提高。這是由于管內(nèi)水流受到管內(nèi)表面波紋的擾動時加快了流體分離，加劇流體湍流，促使邊界層表面快速更新，削弱了波紋內(nèi)邊界層的厚度，同時使主流流體的湍流程度加大，從而達(dá)到強(qiáng)化傳熱的目的。從圖3-28出口總換熱量隨Re的變化曲線中得出波紋管的出口總換熱量比光滑圓管提高35%。圖3-28出口總換熱量隨Re的變化曲線表3-5出口總換熱量隨Re的變化關(guān)系雷諾數(shù)Re出口總換熱量/W凹槽管圓管6570527044561051178305973131399700675815767119208500表3-6出口溫度與雷諾數(shù)的關(guān)系雷諾數(shù)Re出口溫度/K凹槽管圓管657030930310511307.9302.713139305302.215767303299圖3-29出口溫度隨Re的變化曲線優(yōu)化計算表明,波紋管在低雷諾數(shù)下不能有效發(fā)揮強(qiáng)化傳熱作用,相反還會削弱傳熱。其強(qiáng)化傳熱特性體現(xiàn)在高雷諾數(shù)下，無論是在低雷諾數(shù)區(qū)域還是在高雷諾數(shù)區(qū)域,選擇小波紋間距有利于增強(qiáng)波紋管的傳熱,同時又能降低阻力系數(shù)。對于波紋管結(jié)構(gòu)尺寸的選取,可結(jié)合具體的應(yīng)用情況及加工工藝進(jìn)行分析[11]。

第4章結(jié)論采用Fluent商業(yè)計算流體軟件對強(qiáng)化換熱管波紋管和凹槽管內(nèi)的流體流動狀態(tài)與傳熱情況進(jìn)行了三維數(shù)值模擬。模擬了湍流情況下凹槽管和波紋管內(nèi)不同速度對流動與傳熱的