基于Fluent螺旋扁管强化传热特性的模拟研究

周日存，陈志静，苏呈

（广东石油化工学院，广东省石油化工装备工程技术研究中心，广东茂名525000）

材料工程

基于Fluent螺旋扁管强化传热特性的模拟研究

周日存，陈志静，苏呈

（广东石油化工学院，广东省石油化工装备工程技术研究中心，广东茂名525000）

螺旋扁管是以椭圆直管为基础，通过旋转螺旋而成型的一种新型高效强化传热管型。采用数值模拟的方法对不同结构参数的螺旋扁管进行了研究，分析了螺旋扁管内介质流场状况、传热及流阻特性。由模拟结果可知，螺旋扁管的传热性能优于椭圆管和圆直管，且扭曲和压扁程度对螺旋扁管的传热性能影响较大。

螺旋扁管；数值模拟；强化传热；Fluent

强化型高效传热管取代传统的普通金属光滑圆管，能在节约金属管材和降低设备费用的同时又可以显著提高热能利用，降低耗能。与传统换热器相比，螺旋扁管换热器具有传热效率高、压降低、抗垢性能好等诸多优点[1-3]。

随着计算流体力学技术的发展，模拟分析成为高效换热器分析设计的最佳工具。文中利用CFD软件，对不同结构参数的螺旋扁管进行了模拟研究，分析螺旋扁管的结构参数对管内传热及流阻特性的影响。

1 几何模型建立

1.1 模型的结构参数

研究的螺旋扁管结构如图1所示。长轴为A，短轴为B，管长为1 500 mm，节距S=150、200、250、300 mm，不考虑管壁厚度。

当螺旋扁管的长度一定时，其长短轴比A/B和节距S对管内传热与流阻性能均有影响。为了研究不同节距、长短轴比的传热与流阻性能，本文对8种型号的23个结构参数螺旋扁管进行数值模拟，具体如表1所示。

图1 螺旋扁管结构简图

表1 螺旋扁管结构参数

1.2 建模与网格划分

根据上述的螺旋扁管结构参数，应用Gambit软件，按模拟计算的几何尺寸与实物比例为1∶1，建立模型并将其进行网格划分。由于螺旋扁管结构较为复杂，用体网格单元Tet/Hybrid（四面体/楔形）对整体进行划分网格。以4号螺旋扁管的一段为例，其模型和网格分别如图2、3所示。

图2 螺旋扁管模型

图3 螺旋扁管网格

1.3 边界条件的设置

流体的运动一般遵循三个基本的定律，即质量、动量、能量的守恒定律[4]，在流体力学中表现为连续性、动量和能量的方程。本文利用这三个基本定律来研究管子流体流动特性。为了简单化模型，不考虑壁厚，只需要定义三个边界和一个流体区域，螺旋扁管管内即为流体区域。流动介质为水，边界条件具体设置如下：

（1）管子入口为速度边界，雷诺数分别为1 000，6 000，10 000和20 000；根据公式Re=uρde/μ，速度分别为0.05 m/s，0.3 m/s，0.5 m/s和1.0 m/s.

（2）管子入口温度边界，入口温度为300 K，常温。

（3）管子出口边界，设定出口为相对压力为零，即压力出口。

（4）管子壁面边界，设定壁面为恒温373.15 K，起到传热给流体的作用。

2 数值模拟及结果分析

2.1 螺旋扁管内介质流态分析

通过比较5种不同管子的温度和速度图，反映出流体在不同管内的流动状态。5种管分别是扭程均为S=200 mm的2号管（a=23，a/b=1.6）、3号管（a=25，a/b=2.0）、椭圆直管和圆直管以及变向螺旋扁管。

下图均是雷诺数Re=10 000，流速为0.5 m/s的入口条件。以2号管为例分析温度场分布、速度场分布和速度矢量分布。

从图4中的（a）可见，螺旋扁管内流体的径向温度，从中心到管壁逐渐升高，从（b）可见，管内流体轴线方向，从进口到出口，温度升高也很明显。

图4温度场分布

图5 可见，螺旋扁管内的流体，在径向方向，从中心到壁面，速度逐渐减慢，减慢的区域与螺旋程度有关。流体在轴线方向的速度逐渐增大，流体在螺旋管内发生了扭曲变形，增加了湍流的程度，增强传热。

图5 速度场分布

从图6可以看出，螺旋扁管受自身结构的影响，流体进入螺旋扁管后的流动呈现出比较明显的旋转流动，因此使得管内的流体得以充分混合，产生复杂的以旋涡和周期性的物流分离与混合为主要特点的强烈扰动，使得边界层厚度减薄了，从而强化了传热效果。

图6 速度局部矢量图

2.2 不同类型管的换热及流阻性能分

2.2.1 螺旋扁管和直管的比较

分析螺旋扁管的综合性能评价因子：

采用3号管扭程S=150跟椭圆管进行比较，如图7所示。从图中可以看出，高Re情况下，即介质处于湍流状态，螺旋扁管的综合强化传热性能明显优于椭圆管。

图7 综合性能比较

2.2.2 螺旋扁管结构参数对传热性能的影响

图8为相同长短轴、不同扭程下螺旋扁管的综合性能随雷诺数的变化图，由图可以看出，扭程S =150 mm的螺旋扁管传热综合性能较高。

图81#管4种扭程的综合性能评价因子

图9 为相同扭程、不同长短轴比的5种管子传热综合性能的比较图，从图中可以看出5号管的在各种流动状态下的综合性能较高。

图9 螺旋扁管的综合性能评价因子

3 结束语

本文以水作为介质，对螺旋扁管、椭圆管、直圆管的换热性能和流阻性能进行了CFD数值模拟研究，得到了以下结论：

（1）依据模拟数据表明，Re数越大，管内对流传热和阻力的系数都逐渐增大。流体在螺旋扁管管内流动时，进出口温度变化比椭圆管及直圆管更明显。

（2）模拟结果数据证实，螺旋扁管的扭程S一样，截面压扁程度a/b越大，强化传热性能越好，但相对阻力也增加，反之则相反。

（3）模拟结果数据证实，螺旋扁管的压扁程度a/b一定，扭程S越小，强化传热特性能越好，但相对阻力也增加，反之则相反。如果扭程长度相对较小，截面压扁程度较大，螺旋扁管强化传热更佳[5]。

[1]朱冬生，谭祥辉，曾力丁.扭曲椭圆管管内传热与压降性能的研究[J].化学工程，2013（01）：16-20.

[2]钱颂文.换热器秋束流体力学与传热[M].北京：中国石化出版社，2002.

[3]李雪秦，杨毅.自支承螺旋扁管在管壳式换热器中的应用[J].化工管理，2014，（5）：30-35.

[4]赵镇南.传热学[M].北京：高等教育出版社，2002.

[5]黄德斌，邓先和，王扬君，等.螺旋椭圆扁管强化传热研究[[J].石油化工设备，2003，32（5）：1-4.

Numerically Simulation on Intensify Heat Transfer Characteristics of Spiral Flat Tube Based on Fluent

ZHOU Ri-cun，CHEN Zhi－jing，SU-cheng
（Guangdong University of Petrochemical Technology，Technology Research Center for Petrochemical Equipment of Guangdong Province，Maoming Guangdong 525000，China）

Spiral flat tube is based on the elliptical straight tube，through the rotation of the spiral forming a new type of highly efficient heat transfer tube type.The numerical simulation method was used to study the spiral flat tube of different structure parameters.The flow field，heat transfer and flow resistance characteristics of the spiral flat tube were analyzed.According to the simulation results，it is concluded that the heat transfer performance of the spiral flat tube is better than that of the elliptical tube and the straight tube.The degree of twist and flattening has a great influence on the heat transfer performance of the spiral flat tube.

spiral flat tube；numerical simulation；enhanced heat transfer；fluent

TK124

A < class="emphasis_bold">文章编号：1

1672-545X（2017）05-0198-03

2017-02-19

茂名市石油化工腐蚀与安全工程技术研究开发中心开放基金项目（编号：201509B01）；广东石油化工学院大创项目

周日存（1992－），男，广东湛江人，本科，研究方向为化工机械与设备；陈志静（1984－），男，安徽蚌埠人，硕士，讲师，研究方向为化工设备腐蚀与防护、流体流动与传热。