针翅套管传热元件阻力特性实验研究

陈哲雨，孙立成，丁 铭

(哈尔滨工程大学核能科学与技术学院，哈尔滨150001)

哈尔滨工程大学对针翅管进行了深入研究［1－5］，发现了这种非连续翅片管适用于高黏度流体强化传热的优点.在针翅管的基础上，哈尔滨工程大学又创新了针翅套管，它实现了流体的双面冷却，具有结构紧凑，换热效率高等优点，特别适用于高黏度流体的强化传热.此外，针翅套管解决了针翅管换热器漏流、有传热死区等缺点.

针翅套管在获得较高传热效率的同时，由于流道内流体的流动情况复杂，也使其的阻力高于普通强化传热管.因此，研究影响针翅套管阻力的各个参数，分析针翅套管阻力的变化规律，找出针翅套管的传热与阻力最佳契合点，是十分必要的.

1 实验元件与实验装置

针翅套管分两个水通道和一个油通道:针翅管内部、外套管外部为水侧通道，针翅管与外套管之间的环隙为油侧通道.

实验所用针翅管基管尺寸为Φ12×2，针翅套管具体结构参数见表1.

实验装置如图1所示，分为两个回路:油侧回路与水侧回路.润滑油在油箱中被加热到额定温度，经齿轮泵增压，输送到实验段中，冷却后返回油箱;水侧同样有一个蓄水池，冷却水由离心泵输送到实验段中，被加热后，返回水池.实验过程中保持油侧与水侧入口温度在额定温度.

表1 针翅套管结构参数

实验中需要测量的数据包括:油侧实验段进出口油温、流量与压降，水侧进出口水温、流量与压降.

在测量油侧压降时，由于直接测量针翅套管式强化传热元件针翅部分的压降不容易实现，所以测量压降时包含了针翅套管两端的进出口局部压降，计算时应考虑减掉这部分局部压降.

接头部分局部压降由实验得出.制作一根内外同为光管的针翅套管，由于环隙的沿程阻力已有精确的公式，将测得阻力减掉沿程阻力之后，即可得到接头处的局部阻力.

图1 实验装置回路图

2 阻力分析

图2为针翅套管结构尺寸示意图.针翅套管中含有针翅管，流体在针翅管与外套管之间的环形间隙内流动时，受到针翅的搅混与扰动，在翅片处出现涡的生成与脱落，流动情况非常复杂.针翅管针翅的高度、相邻排针翅之间的距离、针翅管与外套管之间的间隙尺寸以及针翅管轴向针翅部分的总长［1］都会影响环隙内流动流体的压降.因此，使用沿程阻力公式及常规阻力系数公式对针翅套管阻力进行计算分析，得到的结果不是十分理想.本文尝试从一个新的角度对针翅套管的阻力进行分析.

图2 针翅套管的横剖面与纵剖面

将针翅套管看成一个大的局部阻力件，把针翅管针翅的高度、相邻排针翅之间的距离、针翅管与外套管之间的间隙尺寸以及针翅管轴向针翅部分的总长等结构因素归结到阻力系数中去，是一个很好的思考方向.这样既可以突破沿程阻力的束缚，避免出现整体当量直径等难以计算的参数.同时又考虑了针翅套管各个参数对整体压降的影响，使目标更加明确，分析更加合理.

局部阻力的一般形式如下式［6］:

其中:ξ为局部阻力系数，u为针翅处流速，ρ为流体平均温度下的密度.

其中:C为包含针翅套管结构参数的常数项，Re为针翅处雷诺数，D为针翅管基管与外套管之间环隙的当量直径，ν为流体平均温度下的运动黏度.

由于针翅处的当量直径受针翅数目的影响较大;同时，实验发现，针翅数目对针翅套管阻力的影响并不十分明显，所以用针翅管基管与外套管之间环隙的当量直径计算针翅处雷诺数.

由图3可知，针翅套管中流体的流动状态呈现

局部阻力系数的计算应用以下公式:其中:L为针翅管轴向针翅部分的总长，T为相邻两排针翅之间的距离.

以上分析为轴向长度上针翅参数对针翅套管阻力的影响，下面分析每个小单元的阻力情况，即:针翅高度h与外套管同针翅管翅尖之间的间隙δ对针翅套管阻力的影响.由图1纵剖图可以看出，h与δ决定了针翅套管环隙针翅处的流通面积，而流速与流通面积的大小呈反比，h与δ通过影响针翅处的流速进而对每个小单元的阻力产生影响.从图1还可以看出，h与δ起到相反的作用，h越大、δ越小针翅处流速越高，因此，h与δ可以用比值的形式归结到一个参数中去，如式(5).一种周期性:针翅部分，光滑环隙部分，针翅部分，光滑环隙部分.因此，我们可以将整根针翅套管划分成为若干个小单元，每个小单元包含前后两部分光滑部分与中间的针翅部分。这样，针翅套管的阻力就由诸多单个小单元的阻力组成，与小单元的个数成正比关系.由于局部阻力需要一段直管段作为稳定段，针翅套管的节距T明显不能达到所需稳定段的长度，因此相邻的小局部阻力之间会产生影响，所计算的单个小单元的局部阻力就不是润滑油流过一排针翅后产生的全部局部阻力.H/T越小，即表明局部阻力的稳定段越长，单个小单元局部阻力的完整性越好，所以，添加指数为负数的单个局部阻力的修正系数，具体关系如式(4)所示.

当不同针翅套管的h与δ相同，其他参数也相同时，针翅套管阻力会随着针翅管管径d变化而变化，因此，径向截面上的参数应该包含了h、δ与d三个参数.

用A1表示纵剖面上针翅部分面积，A2表示纵剖面上无针翅部分面积.用A1/A2代替h/δ，作为新的计算参数，即:

计算针翅部分面积时，根据针翅管实际加工情况，将针翅形状简化成根部相连的若干三角形，这样可得:

其中:d为针翅管针翅根部处直径.

综上所述，针翅套管压降关联式具体形式如下:

其中:ε为常数项.

3 数据处理与分析

根据式(2)可知，对于针翅套管，阻力系数与雷诺数呈指数关系，指数不随针翅套管结构尺寸变化，对式(2)取对数，得:

应用式(9)对各针翅套管实验数据进行处理，同时进行曲线拟合，结果如图3所示.

图3 ln(f)与ln(Re)关系图

根据计算结果得出，7根针翅套管的ln(f)与ln(Re)都呈线性关系，变化范围在 －0.97～ －0.94之间，考虑到测量误差的影响，认为式(2)的规律是存在的，即:对针翅套管进行的局部阻力假设是合理的，m值范围在－0.97～－0.94之间.

根据各针翅套管的拟合结果可以得到m与C的值，利用不同针翅套管的结构参数，可列出式(8)的方程组，求出方程组的近似解，即得到符合7根实验元件的最佳ε，k，n的值.

经计算得出针翅套管阻力系数关联式为:

应用范围:2.5≤T≤8.7，2.8≤h/δ≤18.3，9≤d≤12.

关联式中对参数的处理采用了两次比值的形式.两组参数的共同特点是:相互影响且对针翅套管阻力所起的作用完全相反，在某些条件不变的情况下，一个的增大必定表示着另一个的减小，一个参数增大后导致阻力增加，另一个参数增大后导致阻力减小.为了清楚地表示它们之间的这种关系，所以在关联式中把它们做成了比值的形式，便于对针翅套管的理论分析;同时，应用比值的形式还可以减少未知数的数量，使计算更加简单.

图4为编号为1#针翅套管计算结果与实际结果对比，由图中曲线可以看出，在实验范围内总体符合较好，其他6根针翅套管的符合情况与1#针翅套管大致相同，不再赘述.

图4 1#针翅套管计算结果与实际结果对比

应用编号为8#、9#的两根针翅套管对上述关联式进行验证，其对比结果如图5所示，8#针翅管基管尺寸为Φ12×2，9#针翅管基管尺寸为Φ9×1.5.

由以上对比可以看出，针翅套管阻力关联式在实验范围内与实验结果吻合较好，证明阻力关联式的准确性，对于其他参数的针翅套管是否可以应用该关联式进行计算，有待于进一步验证.通过上述拟合的阻力关联式可以看出h与δ对针翅套管阻力的影响较L与T的大，所以想要减小针翅套管阻力，首先要从h与δ上着手;当要增大针翅套管换热量原h、δ与T不变.应用针翅套管阻力关联式，可以清楚地了解针翅套管阻力随参数变化而产生的变化，进而根据实际情况，选择最佳尺寸.

4 结语

本文应用了局部阻力的分析方法分析了针翅了影响针翅套管这个大局部阻力件阻力系数的因素及这些因素的作用机理.通过对实验数据的处理，拟合了针翅套管阻力计算关联式，应用关联式对针翅套管阻力进行计算，并与实际测得结果进行对比，两者符合较好，差值在10%以内.最后，根据对针翅套管阻力关联式中各系数数值大小的分析，明确了各参数对针翅套管阻力的影响程度，为实际设计加工针翅套管型换热器提供了理论依据及便利条件.套管的阻力特点.根据针翅套管的结构特点，找出

图5 计算结果与实际结果对比

［1］丁 铭，阎昌琪，缪红建，等.整体针翅管强化传热实验研究［J］.核动力工程，2005，26(5):452 －455.

［2］丁 铭，阎昌琪，孙立成.整体针翅管流动阻力特性实验研究［J］.核动力工程，2007，28(2):68 －71.

［3］谭 怡，阎昌琪.滑油冷却器强化换热实验研究［J］.应用科技，2005，32(6):56 －58.

［4］南金秋，阎昌琪.滑油冷却器小型化研究［J］.应用科技，2008，35(2):56 －59.

［5］阎昌琪，侯山高，曹夏昕.滑油冷却器强化换热实验研究［J］.核动力工程，2008，29(2):16 －19.

［6］孔 珑.工程流体力学［M］.北京:中国电力出版社，2007.95－114.