内插自振弹簧换热管脉冲流强化换热数值分析

徐建民，胡小霞，彭 坤，余海燕，黄 伟

(武汉工程大学机电工程学院，湖北 武汉 430205)

0 引 言

大量研究发现，直通道中脉冲流动强化换热传质作用很小，但对于通道中有周期性几何结构时，情形不同[7].流体的扰动和掺混是强化传热、传质的一个主要因素，利用脉动流动技术能够显著的增强流体扰动和相互掺混，从而达到强化传热的目的[8-10].

本文拟应用Fluent 6.3软件对等壁温条件下，内插自振弹簧换热管中分别通入稳态流和脉冲流时，管内的速度场和温度场.进而分析不同参数的脉动流对内插自振弹簧强化换热的影响.

1 计算模型及边界条件

在数值模拟计算中，由于内插自振弹簧换热管管内的流体流动有轴向流、径向流和周向流，又因弹簧自身的结构特点，所以对内插自振弹簧进行三维建模.取弹簧长l′=300 mm，节距p=6 mm，弹簧圈圈直径d=15 mm，弹簧丝直径e=1.0 mm，换热管长l=500 mm，换热管内径D=22 mm，如图1所示.为了便于计算和建模，管壁厚度为零，温度恒定为293 K，弹簧壁面温度恒定为293 K，流体工作介质为水，温度为333 K.

图1 换热管内插自振弹簧示意图Fig.1 Schematic diagram of self-vibration springheat exchange tubes within the interpolation

该模型的网格划分如图2所示.计算时选用离散格式，压力与速度的耦合计算采用SIMPLEC方法，压力计算采用STANDARD，忽略重力的作用，对流项采用二阶迎风格式[11].流体入口定义为速度输入，并通过UDF输入正弦脉冲流动如式(1)，出口定义为压力出口.

v=v0+v0Asin 2πft

(1)

式(1)中：v为脉冲流瞬态入口速度(m/s)，v0为稳态流速度(m/s)，A为脉冲流振幅，f为脉冲流频率.显然，当A=0时，演变为稳态流.计算时，取v0=0.05 m/s，f分别取2, 4, 6, 8, 10(Hz),A分别取0.1 ,0.3, 0.5, 0.7, 1.0(mm)，并设定脉冲流强化换热系数R=km/kw，其中，km，kw分别为脉冲流和稳态流条件下传热系数.

图2 局部模型的网格划分Fig.2 Mesh generation of local model

2 计算结果分析

2.1 出口中心处压力分布图

图3表示当振幅A=0.1 mm，f=2,4,6,8,10(Hz)时，内插自振弹簧换热管流体出口横截面平均压力随相位(2πft)波动图.从图3中可以看出，在脉冲流振幅一定时，随着脉冲流频率的增大，出口截面中心处压力的波动振幅也增大.

图3 出口中心处压力波动图Fig.3 The outlet center pressure distribution注： 2;4;6;8;10

2.2 脉冲流参数对流场的影响

为了分析脉冲流参数对流场的影响，在换热管x=250 mm处，分别截取当振幅A=0,0.1,0.3(mm)时的速度云图，如图4所示；当振幅A=0.5,0.7,1.0(mm)时的速度云图，如图5所示.从图4和图5中可以看出，在内插自振弹簧换热管中，通入脉冲流比通入稳态流时，管近壁面的温度梯度要小，而且振幅越大，边界层越薄.由于对流换热的热阻主要集中在边界层，边界层是对流换热热阻的控制层，要提高对流换热系数，就得降低边界层热阻，降低边界层热阻的最佳途径是改变其流动状态，使壁面流体的流动方向不断变化.向换热管中通入脉冲流正是为了满足这种要求，减薄了边界层厚度，提高了换热能力，而且振幅越大，换热能力越强.

A=0

A=0.1 mm

A=0.3 mm图4 A为0和0.1及0.3时速度云图Fig.4 Speed of cloud images

A=0.5 mm

A=0.7 mm

A=1.0 mm图5 A为0.5和0.7及1.0时的速度云图Fig.5 Speed of cloud images

2.3 脉冲流参数对温度场的影响

图6表示在内插自振弹簧换热管中通入脉冲流的情况下，当振幅一定时，传热系数随频率的变化曲线.由图7可知，当振幅为0.1和1.0时，传热系数随着频率成正弦周期性变化，当振幅为0.3,0.5和0.7时，传热系数随频率的变化很小，几乎不受频率的影响.

图6 传热系数随频率的变化曲线图Fig.6 The curve of heat transfer coefficient variation with frequency注： 0.1;0.3;0.5;0.7;1

图7表示在内插自振弹簧换热管中通入脉冲流的情况下，当频率一定时，传热系数随振幅的变化曲线.由图可知，当脉冲频率一定时，传热系数随着振幅的增大而增大，当振幅大于0.5 mm后，变化更明显，传热效果更好.

图7 传热系数随振幅的变化曲线图Fig.7 The curve of heat transfer coefficient variation with swing注： 2;4;6;8;10

3 结 语

研究运用Fluent软件对内插自振弹簧分别通入稳态流和不同参数脉冲流情况下的流场和温度场进行了分析，总结如下：

(1)内插自振弹簧换热管出口平均压力呈现与脉冲流周期相同的正(余)弦波动，波动大小随着频率的增大而增大.

(2)向内插自振弹簧换热管中通入脉冲流，能减小速度边界层厚度，降低热阻，进而提高换热能力.

(3)脉冲流振幅越大，速度边界层厚度越小，热阻越低，换热效果越好.

(4)内插自振弹簧换热管的换热效果受脉冲流频率的影响不大，但受脉冲流振幅的影响很大，随着振幅的增大，换热效果增强.

参考文献：

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