浊管湍流强制对流和传热特性的数值研究

摘要

在数值上研究了与V孔中插入V孔的圆形管热交换器中的传热，压力损失和热增强因子的性能评估。据报道堵塞比，间隙间距比和孔口布置对湍流制度的影响，．采用有限体积法和SIMPLE算法求解。对其流动和传热机理进行了描述。研究了流动和传热的周期概念。数值计算结果表明，间隙比是导致流动和传热拓扑变化的主要原因。间隙距离有助于调节热性能的最佳点，特别是在大流量堵塞比时。此外，在最低雷诺数时，系统的最佳热性能约为2.25，．

1.介绍

被动式技术已被用于改进各种类型的换热器。该被动方法不需要额外的功率来提高传热速率和热性能。被动技术的目的是通过涡发生器或紊流器(小翼、翼、肋、挡板等)扰动传热面上的热边界层，改善流体的混合。涡流发生器的选择取决于换热器的应用情况。

在管式加热系统中，为了提高传热效率和传热性能，广泛采用了类似孔板的圆形环。圆环的结构如图所示1．Kongkaitpaiboon等人[1实验研究了带有环形涡发生器的圆管内的对流换热和摩擦损失。直径比(孔板直径与管板直径的比值)和节距比()的湍流状态，．他们报告说，与没有涡发生器的光滑圆形管相比，传热增强约为57-195%。许多研究人员也报道了选择锥形环来改进换热器[1- - - - - -15.］．他们发现热交换器中的锥形环增强了传热速率和热效率，而且还增加了非常大的压力损失，尤其是低直径比（低流量面积）。

圆环与被称为“扭环扰流器”的扭带一起应用，用于提高管式换热器的热工性能[16.］．研究了参数，宽度和节距比用实验方法。对比了扭环与典型锥形环的传热和压力损失。他们的结论是，与典型的锥形环相比，扭环具有更高的传热速率、压力损失和热性能。他们还指出，最大热增强约1.24在．

v型涡发生器[17.- - - - - -28.的设计，以提高加热和冷却部分的传热速率。与斜型、曲线型、翼型、小翼型等涡发生器相比，v型涡发生器具有较高的传热效率。涡发生器的高度、流动攻角、节距、厚度等是影响传热增强的重要因素。

在本文中，将典型的扰流器采用环型结构与v型挡板结构相结合的方式进行改造，并将其设计为“v型孔板”。研究的目的是产生强烈的涡流，扰动管壁附近的热附面层。边界层扰动是热传导和热效率提高的原因之一。对挡板高度(或直径比)和流动方向的影响进行了数值研究。为了减小压力损失，v型孔板与管壁之间的间距也有所变化。湍流状态下的强制对流换热为目前的工作考虑。

2.物理域

数字2介绍了插入v形孔的圆管换热器的结构。圆形管的直径，，等于0.05 m。v形孔之间的距离，，固定在0.05 m或()．v型孔板的流动攻角在45°左右适用于所有情况。v型孔板的高度，和V孔和管壁之间的间隙，,是多种多样的。的或BR称为堵塞比，而被称为间隙间距比。V-orixix的V-Tip分别指向名为“V下游（VD）”和“V-Upstream（Vu）”的下游和上游布置的。案例调查的守则被报告为表格1．

在不同的缝隙处插入v形孔的管式热交换器的结构如图所示3.．中计算域的几何形状平面显示为数字4和5．

3.数学基础、假设和边界条件

流动和传热在三维空间中是稳定的。这种流动是紊流和不可压缩的。考虑了辐射传热、体力、自然对流和粘性耗散。假定流体性质在平均体积平均温度下为常数。计算域的入口和出口采用周期条件。均匀的热流在600w /m左右²适用于管壁。v型孔板设置绝热壁条件(绝缘体)。该区域的所有表面均采用无滑移壁条件。

采用连续方程、Navier-Stokes方程和能量方程对圆管流动进行求解。其数学基础和数值方法参见[29.］．的可实现的模型(30.为当前数值解选择。 在哪里 常数值如下: 所有控制方程的QUICK数值格式被离散，与SIMPLE算法解耦，并使用有限体积方法求解[31.］．当归一化残差小于10时，解被设置为收敛⁻⁹和10⁻⁵对于能量方程和其他变量。

重要参数为雷诺数、摩擦因数、局部努塞尔数、平均努塞尔数和热增强因数(4)- (8),分别。 光滑管的努塞尔数和摩擦因数表示为和,分别。

4.数值结果与讨论

第一部分将数值结果与实验结果及相关系数的比较，第二部分将阐述流动和传热的周期概念。第三部分介绍了管式换热器的流动和传热机理，最后部分介绍了换热、压力损失和热强化系数的性能评估。

4.1。数值验证

计算域的验证是数值研究中最重要的环节。对光滑圆管进行了计算验证，将现有结果与相关值进行了比较[32.与努塞尔数和摩擦损失有关。结果见表2．

结果表明，Nusselt数和摩擦因数的最大偏差分别为5.48和8.28%左右。

计算模型也用实验结果验证。的情况下和与，以验证域的准确性。的可实现的k -ε模型用于研究当前的问题。数值计算结果表明，Nusselt数和摩擦因数的偏差分别在6%和15%左右。数值结果与实验结果之间的评价如图所示6．

为所有数值域选择六面型网格。通过比较四组网格单元来完成电网独立性测试。为案例产生120000,180000,240000和360000网格一个-1D.．网格单元从180000增加到240000对传热速率和压力损失没有影响。因此，在所有情况下，网格单元都在180000左右生成计算域。

初步结果表明，计算域对v型孔板管式换热器的流动和换热行为具有可靠的预测能力。

4．2．周期性流动和传热剖面

对计算域的流动和传热的周期概念进行了测试。数字7显示插入v型孔的管式热交换器的全域。图中还给出了全域的边界条件。流动和传热剖面如图所示8和9,分别。流动结构分为两个区域:周期性流动和充分发展的周期性流动。周期性流是指各模块的流型相似，但值相同不平等。完全发育的周期性流程意味着流的值和轮廓是相同的。周围发现定期流动曲线(第三模块)，同时检测周围完全发展的周期性流动廓线(第六模块)。传热剖面的周期概念与流动剖面相似。该周期条件可应用于计算域，节省了研究时间和网格单元数。

4．3．流动和传热行为

插入v形孔的试管内的流动形态用等值面和流线表示飞机。数据10 ()，10 (b)，10 (c),10 (d)用表示等值面为B-1D，B-3D，B-5D,B-7D分别在．等表面是v形孔产生涡核的标志。如图所示，在所有情况下v型孔板后都存在涡流。当v型孔板与管壁间隙减小时，涡核减小。B-1D表现出最大的涡核，同时B-7D提供相反的趋势。在病例中发现了类似的结果B-1U，B-3U，B-5U,B-7U如图所示(11日)，11 (b)，11 (c),11 (d),分别。

的流线飞机在不同的值B-1D，B-3D，B-5D,B-7D与如图所示12.．在所有情况下，涡流都是通过试验段检测到的。除了B-3D时，管式换热器各平面均存在四种主要的涡流。这八个小漩涡是在第二个和第三个平面上形成的(和3.5）B-3D．B-1D提供逆流与逆流共流，同时B-3D，B-5D,B-7D产生反向旋转流动时，考虑在低对涡流。数字13.呈现流线飞机的B-1U，B-3U，B-5U,B-7U在， 2.25, 3.5, 4.75和6的．V-Upstream案例的一般流动结构类似于V-Downstream案例。除了所有情况之外，在所有情况下都会创建四个核心涡流流量B-3U．这八个旋涡位于， 2.25, 4.75和6的B-3U．B-1U产生逆流与共流向下，而B-7U创造相反的流动旋转。此外，v型孔板与管壁间隙的存在也是导致流动结构和涡强度变化的原因之一。

内的温度分布描述了试验段的传热行为管壁上的局部努塞尔数分布。数字14.显示温度的轮廓y-z飞机的B-1D，B-3D，B-5D,B-7D在．热边界层的扰动出现在边界层的上下点处B-3D，B-5D,B-7D,除了B-1D．当间隙比增大时，温度等值线的红色层表现得更高。在平面的左右部分检测到热边界层的破坏B-1D．热扰动位置的不同是由于不同的流动结构造成的。

数字15.报告温度分布飞机的B-1U，B-3U，B-5U,B-7U在．在管平面的左右曲线上，热扰动效果最好B-1U．间隙值的增大降低了涡旋流动的强度。上、下点受到涡流的扰动B-1U．间隙的减小导致涡强度的增加。

图中显示了v尖指向下游的v型孔板插入管式换热器管壁上的局部努塞尔数分布16.．越来越多BR减小间隙，提高了传热速率。热传导的峰值出现在左右部分而是发现在上下半部分．数字17.礼物带有上游布置的v形孔的管式热交换器的轮廓。最高的传热区域是在管壁的侧面部分，除了．间隙比的增大导致努塞尔数的减小。

总之，V孔和管壁之间的空间是流动结构的重要因素。间距可以转换旋转涡流流动，这是传热制度差异的原因。

4．4.性能分析

的情节图中有Re的报告18.- - - - - -20.为分别为0.15和0.2。一般来说,随着雷诺数的增加往往会略微减少。管式热交换器中的V孔的插入比光滑管更高的传热速度（)．

如图(18日)，最大努塞尔数为A-1D，最小值为A-8D．由于间隙比的降低，发现了营养数的非线化降低。有趣的是要注意A-2D传热率比A-1D在25%左右,而A-3D，A-4D，A-5D，A-6D，A-7D,A-8D提供低于A-1D分别为1.18%、1.18%、4.72%、10.38%、18.56%、34.20%。最大努塞尔数约为光滑管的4.24、3.15、4.19、4.19、4.04、3.80、3.41、2.79倍．数字18 (b)，最高的传热率在6.32左右，在A-1U为．A-2U，A-3U，A-4U，A-5U，A-6U，A-7U,A-8U给予较低的营养数A-1U分别为53%、47.63%、43.99%、46.52%、50.63%、55.22%、62.5%。在病例中也发现了类似的努塞尔数比率趋势B和C．在测量研究中，传热速率被发现约为2.25-4.50,1.84-6.32,3.00-5.03,2.25-5.00,3.65-6.70，比光滑管中的2.75-8.25倍。模拟，一个u，罪犯，B-U，c - d,c u,分别。

数据21.- - - - - -23.报告不同情况下的雷诺数。一般情况下，在加热系统中使用v型孔板比光滑的圆形管产生更高的压力损失()．随着雷诺数的增加，压力损失增大。间隙间距的增大有助于减小摩擦损失，除A-1D到A-4D(见图(21日))．流动面积的减小导致了较大的摩擦损失，特别是在c - d和c u用例。是5.9-22,4.2-34,12-61,7.5-77.5,20-170,15-270A-D，A-U，B-D，B-U，C-D,c u,分别。

数据24.- - - - - -26.给出了热增强因子TEF随雷诺数的变化规律。总的来说，随着雷诺数的增加，TEF有减小的趋势。在不同br和布置下的最佳TEF如下表所示3.．值得注意的是，间隙间距有助于优化高的热增强因子，  和0.20。

数据(27日)，27 (b),27 (c)描述和为分别为0.15和0.2。的衰减发现当在这个范围内对下游的安排。对于上游的安排,，极度减少。数据(28日)，28 (b),28 (c)呈现与为分别为0.15和0.2。5%左右的间隙比非常有助于降低压力损失，特别是上游布置。

5.结论

本文对v形孔插入圆管换热器内的紊流强迫对流换热特性进行了数值研究。考察了堵塞比和间隙比对其影响．主要成果如下:(我)由于v型孔板在加热管中产生的涡流流动，使得加热管具有较好的传热速率和热性能。涡旋流动对热边界层的扰动是热传递增强的重要原因。（ii）V孔和管壁之间的间隙间隔是导致传热行为的变化的流动拓扑的变化的原因。最佳间隙间距可能导致最佳的热增强因子。(3)在量程研究中，努塞尔数和摩擦因数的提高分别是光滑管的8.26倍和270倍左右。最大热增强因子约为2.25。

命名法

BR：	流阻塞率（）
：	孔板高度,米
：	管的直径
：	摩擦系数
：	电极间距
：	对流换热系数，W m−2K−1
：	导热系数，W m−1K−1
ν:	努塞尔特数(）
：	肋骨之间的距离
：	静压,爸爸
PR：	普朗特数(）
公关:	节距比(）
再保险:	雷诺数
：	温度、K
：	速度方向,m s−1
：	航道平均速度，m秒−1．

希腊字母

：	动态粘度，kg s−1米−1
：	热扩散率(）
：	攻角，角度
微软:	热增强系数(）
ρ：	密度、公斤米−3．

下标

:	入口
0：	光滑的管
PP：	抽运功率。

的利益冲突

作者声明本文的发表不存在利益冲突。

致谢

本研究由曼谷北部蒙库特国王理工大学工业技术学院资助。Res-CIT0208/2017)。作者要感谢KMITL副教授Pongjet Promvonge博士的建议。

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