扭曲管管程数值传热模拟

刘思宇

摘   要：通过FLUENT软件对扭曲管进行数值模拟分析，得出其内部流场因流通截面积不断变化沿轴向呈周期性交错变化，且不同区域流速大小与方向各不相同。压降与温度均以较强规律呈周期性逐渐减小趋势，内部流通截面积交替变化使得其压力梯度变化显著，管内流动介质产生二次旋流促使湍流程度增强。随着流速的递增，压降与膜传热系数呈递增趋势，且流速越大彼此之间的差距就越明显。为换热设备的进一步优化提供新思路和新技术。

关键词：扭曲管  传热模拟  数值分析

中图分类号：TK124                                 文献标识码：A                       文章编号：1674-098X（2019）02（c）-0115-03

Abstract： The numerical simulation analysis of twisted tube is carried out by FLUENT software， the results show that the internal flow field changes periodically and alternately along the axial direction due to the continuous change of the flow cross-sectional area， and flow velocity in different areas are different with the size and direction. Both pressure drop and temperature decrease periodically and gradually with a strong rule， the alternating change of internal flow cross-sectional area makes the pressure gradient change significantly， the secondary swirling flow generated by the flowing medium in the tube promotes the enhancement of turbulence level. As the flow rate increases， pressure drop and film heat transfer coefficient are increasing， and the larger the flow rate， the more obvious the difference between them. It provides new ideas and new technologies for further optimization of heat exchange equipment.

Key Words： Twisted tube; Heat transfer simulation; Numerical analysis

换热设备是能源合理高效转换的一种媒介[1]，不仅被作为应用广泛、节能低耗的主要冷换设备之一，而且被普遍地应用于核电、石油、动力、冶金等带动国民经济不断进步的各行各业中。换热器的传热过程强化通常是在单位时间内对热交换有影响的要素进行改进以实现单位传热面积上换热量的最大化进而完成能源的高效利用。如果传热效率提升10%，那么设备的能量利用率将提高2%[2]。换热器的强化传热主要是从管程的管型变化与壳程的支撑结构这两个方面来进行改进的。

1  FLUENT在换热器模拟中的应用

FLUENT作为CFD中的一种，是用来模拟与分析流体流动、传热和冲蚀等问题的软件[3]，对换热器进行模拟时主要涉及的部分有物理模型、有限元模型、边界条件、湍流模型、控制方程和相关参数及属性等。利用GAMBIT软件来完成物理模型、网格划分及边界条件的定义。再导入FLUENT进行流体的性能分析，由于处于湍流中的流体具有强烈的扰流程度，使换热变得更加的充分，因此对换热器进行模拟时采用标准k-ε湍流模型[4]。

2  扭曲管结构简介

扭曲管是光管通过打扁和旋转形成的具有椭圆截面和螺旋形态的換热管，不仅可以促使换热壁面处的介质扰流程度增强而且还扩大了热交换面积。其管束结构是依靠自身相互支撑及沿壳体纵向螺旋线点接触来形成的，管内介质的流动状态呈螺旋状且产生二次旋流，使管内湍流程度加强且提高换热效率。而壳程是由多股螺旋流绕管外壁沿壳体轴向做周期性的流动，增强了扰流程度，使壳程流阻减小、综合性能提高。

3  模型预处理

模型的预处理包括网格划分、边界条件设定及确定求解方法这三部分。首先通过三维建模软件PROE生成实体模型，再将实体模型另存为IGES文件后导入Gambit中进行网格的划分和边界条件的设定。网格质量的优劣是模拟计算的关键部分，故本次均采用非结构化网格中的Tet/Hybrid网格单元进行划分，网格尺寸取1mm，扭曲管局部划分网格如图1所示。

通过实际工况对模拟边界条件进行设定，入口与出口设置分别为速度入口与压力出口，壁面设置为不可渗透的无滑移边界。入口温度为58℃，入口速度以流速0.1m/s为基准逐步递增，直至1.0m/s为止。管内介质为水，壁面温度为恒壁温18℃。本文模拟计算均选用SIMPLE算法进行离散计算，其相应的参数选择为默认值。湍流模型选择为标准k-ε模型、湍流强度定义为4.7、水力半径定义为0.2m。计算过程中所涉及的方程有动量方程、湍流方程、质量方程和能量方程，其残差精度不同[5]。计算结果是否收敛将通过设定的残差曲线来进行判定，当曲线达到平稳且无较大波动时，计算可视为收敛[6]。

4  模型结果分析

通过FLUENT软件的后处理功能，可将计算结果经过可视化的云图、矢量图等显示出内部流体的流动状态及变化规律。

图2为扭曲管轴向速度矢量图，从图中可以看出，扭曲管壁面处的流速呈周期性交替变化，且不同区域的流速大小与方向各不相同。而扭曲管内部流速因流通截面积的不断变化，凸起处因流动空间较大致使流速降低，凹陷处因流通截面积变小致使流速明显增加并不断变化。以壁面为节点，可以使扭曲管内外部流质的湍流程度增强，提高换热效率。图3为扭曲管轴向压力云图，从图中可看出流质的流动方向是从左向右的，且压力以较强的变化规律呈逐渐减小趋势，因其自身的螺旋状结构可以使流质的流动阻力减小，由于扭曲管内部的流通截面积呈大小交替变化，故使得其压力梯度变化显著。

图4为扭曲管轴向温度云图，从图中可看出流质的流动方向是从左向右的，温度沿轴线方向是逐渐降低的且分布规律性较强，管内介质在流动时产生二次旋流，使管内湍流程度加强，实现高效换热。

5  数据处理

对模拟数据进行处理，得到扭曲管在不同流速下的压力降与膜传热系数性能曲线图。图5为扭曲管压降变化曲线图，从图中可以看出，随着流速的递增，压降虽有一定的波动，但整体呈现递增状态。图6为扭曲管膜传热系数变化曲线图，从图中可以得知，膜传热系数均随着流速的增加而逐渐增大，呈现出直线递增趋势，且流速越大彼此之间的差距就越明显，但膜传热系数的增大相应的会带来较大的压力损失，而压降的变化则是受到了流通面积的制约。

6  结语

通过FLUENT软件对扭曲管管程进行数值模拟分析，得出扭曲管内部流质从进口到出口的压力以较强规律呈逐渐减小趋势变化，自身螺旋状结构使流质的流动阻力减小，内部流通截面积交替变化使得其压力梯度变化显著。由进口至出口的温度沿轴线方向是逐渐降低的且分布规律性较强，管内流动介质产生二次旋流，使管内湍流程度加强。流速呈周期性交替变化且不同区域流速大小与方向各不相同，凸起处因流动空间较大致使流速降低，凹陷处因流通截面积变小致使流速明显增加并不断变化。以壁面为节点，可以使扭曲管内外部流质的湍流程度增强，实现高效换热。随着流速的递增，压降与膜传热系数呈递增趋势，且流速越大彼此之间的差距就越明显。本次模拟分析可以为换热设备管程结构进一步优化提供新思路和新技术。

参考文献

[1] 王瑶.石油化工行业中换热器的种类及用途原理[J].科技与企业，2014（16）：430.

[2] 陈文超，张锁龙.人字形板式换热器双流道模型的温度场数值模拟[J].化工机械，2010，37（4）：465-468.

[3] 劉荣，陶乐仁.FLUENT数值模拟在制冷与空调领域中的应用[J].低温与超导，2010，38（10）：77-79.

[4] 王欣.水平轴风力机气动性能与结构动力特性分析[D].兰州理工大学，2012.

[5] Yokoi N，Hamba F.An application of the turbulent magnetohydrodynamic residual-energy equation model to the solar wind[J] .Physics of Plasmas，2007，14（11）：355-359.

[6] 朱红钧，林元华，谢龙汉.FLUENT12.0流体分析及工程仿真[M].北京：清华大学出版社，2011.