挡板对某双层U型管流动特征的影响

（江苏大学能源与动力工程学院 江苏镇江 212013）

双层管道由于其结构的特殊性，使得2股流体被中间隔板分开，汇合之后可起到促进流体之间混合和热交换，因而被广泛应用于石油化工、能源动力等行业。国内外对工业弯管和T型管道内的流动特性的研究较多，而对于小尺寸的双层U型管内的流动特性的研究较少。无论从尺寸的层面还是从流动混合的角度，双层U型管内隔板出口处的流动特征都具有重要的研究价值。

挡板常在工业中作为改变流体流动方向的装置，其结构和位置影响管道内液体的流动与换热。Graham等［1］对U型带肋通道中的流场进行了测量，发现肋前后存在明显的循环区域。赵国寿等人［2］研究发现叶片表面障碍物能够增加近壁面流场湍动能从而使转捩提前发生，减少流动分离引起的压差阻力，从而对空化产生了抑制作用。Lim等［3］通过大涡模拟计算方法和试验方法研究了湍流边界层中的贴壁立方体的流场结构和流动情况，分析了立方体周围的涡结构与平均压力和脉动压力的关系。王庆锋等［4］研究了折流板间距与换热器对流传热系数的关系，研究发现折流板间距越大，对流传热系数越小，压降越小。

基于优化双层管道结构以提高换热性能的初衷，针对小尺寸的某双层U型管道结构，在隔板出口处布置挡板，研究挡板到隔板出口的距离对管道内流动特性和换热效果的影响。由于模型尺寸小，在实验的实施上存在一定的难度，所以采用数值模拟的方法对管内的流动特征进行初步研究。本文在数值模拟中采用ANSYS Fluent软件，借助k-ε湍流模型对双层U型管内的流动特征进行研究，重点对挡板到隔板出口距离的大小对隔板出口到挡板之间区域的流动特征和管道出口处流体温度分布的影响进行描述与分析。

1 模型的建立

1.1 几何模型

某双层U型管几何模型如图1所示，流体分别由入口1和入口2流入，在流过180°的弯管后，撤去隔板，2个管道合并成1个管道，入口截面采用边长为5mm的方形布置，出口截面为长35mm、宽15mm的矩形，隔板厚5mm，弯管半径为100mm。分别在距离隔板出口10mm、20mm、30mm和50mm处布置挡板，建立4种模型并建立无挡板模型作为参照，建立三维坐标系（图1），坐标原点位于隔板出口。挡板结构如图2所示，挡板宽15mm、长10mm、高5mm。挡板到隔板出口的距离用字母d表示。

1.2 边界条件与网格划分

数值计算采用kε湍流模型，使用清水作为流体介质。入口1流速 0.5m/s，温度 60℃（333K）； 入口 2 流速1.0m/s，温 度 20℃（293K）。壁面采用壁面无滑移条件，设置管壁为绝热壁。出口压力设为环境压力，值为101325Pa，环境温度20℃（293K）。收敛标准是各监测项的残差均小于 10-4。

网格划分采用六面体结构网格，每个模型计算域共有100万个网格。本文重点研究隔板出口到挡板之间的流动特征与温度分布，所以对隔板厚度的范围内沿x方向加密处理，并对挡板处的网格进行加密，如图3所示。

2 数值模拟与分析

2.1 速度分布

如图4所示，挡板到隔板距离的大小对速度分布有较大影响。隔板前方来流方向的流速比隔板后方的流速略大。在高流速区域，无挡板时，最大流速等值线分为2段，增加挡板后，两段最大流速等值线逐渐靠近，最终2段等值线合为1条等值线，随着d的增大，挡板对隔板出口处流体流动的扰动作用减弱，最大流速等值线再次逐渐断裂，d=50mm时，断裂为3段等值线，随着d的增大，高速区域平均流速经历了先增大再减小的过程。在低流速区，d=10mm时挡板对隔板出口处流体流动的扰动作用最强，低速区域平均流速最大。d=30mm和50mm与无挡板时在低速区隔板附近的流速等值线形态相似，量值略有差别。随着d的增大，挡板附近来流方向的流速逐渐增大，挡板后尾流的流速也逐渐增大，但是尾流的范围先增大后减小，d=20mm时挡板后尾流的范围最大。挡板对隔板后的尾流有较大影响，当挡板距离隔板较近时，挡板处于隔板后的尾流范围内，流体阻力增大导致尾流内的低速区域范围增大，流速降低；随着d的增大，挡板对隔板尾流的阻力作用减弱，但d=50mm时隔板尾流的范围仍然比无挡板时的隔板尾流范围大。

2.2 涡量分布

如图5所示，隔板与挡板靠近高流速的区域比靠近低流速的区域高涡量区域的范围更大，且涡旋尾部延伸较长。2高涡量区之间低涡量的形态沿X方向上下波动。如图5（b）所示，当d=10mm时，挡板处于隔板高涡量区范围内，涡尾沿Z轴方向变宽。隔板附近高涡量区与挡板附近的高涡量区连成一体。如图5（c）所示，当d=20mm时，隔板出口下方高涡量区域尾部上下波动幅度更大，尾部形成一个微小的高涡量区，隔板与挡板附近上方的高涡量区分离，隔板中间的低涡量区域与挡板上方低涡量区域连接成一体。挡板上壁面高涡量区域长度变大。如图5（d）所示，当d=30mm时，挡板上壁面高涡量区域进一步扩大，延伸至挡板圆周前端，挡板后端下方的高涡量区域拉长，范围变大。如图5（e）所示，当d=50mm时，隔板出口处下方的高涡量区尾端出现多个封闭的等值线，涡量大小变化频繁，同时尾部形状较无挡板时波动更剧烈。d=10mm时较无挡板时，隔板出口处的高涡量区范围缩小，随着d的增加，隔板出口处的高涡量区域范围逐渐增大，涡形态上下波动更剧烈。有挡板时，随着d的增大，挡板壁面附近的涡强度增强，挡板后的高涡量区涡强度增强，涡尾的长度延长。

2.3 压力与温度分布

隔板出口处压力沿Z轴分布如图6所示，隔板两侧的压力较高，在隔板沿Z轴的宽度范围内形成一个低压区。无挡板时隔板出口处的低压值最小为负压，与隔板两侧的压差最大；当d=10mm时隔板出口处的低压值最大，在20Pa左右，与隔板两侧的压差最小。有挡板时，随着d的增大，隔板两侧的压力逐渐增大，隔板处低压值逐渐降低，压差增大。因此，d=10mm时，可以显著改善隔板出口处的压力分布情况。有挡板时，在挡板附近出现管道内的压力最大值和最小值，如表1所示。随着d的增加，压力最大值先增大后减小，d=30mm时压力的最大值最大；压力的最小值逐渐减小，且减幅增大；挡板附近的最大压力和最小压力的压差随着d的增大而增大。

流体出口截面的温度分布如图7所示，无挡板时如图7（a）所示，出口截面中间区域等温线较为平缓，温度在310K到319K之间，两侧等温线向外鼓起，且鼓起程度逐渐增大。有挡板时，随着d的增大等温线倾斜程度增大，左侧等温线密集，温度梯度大，冷热水之间热量交换更加不均匀；同时随着d的增加，高温区域范围逐渐增大，d=10mm时出口最高温度为331.67K，d=50mm时出口最高温度为332.21K，换热效果变差。与无挡板的情况相比，d=10mm时，出口最高温范围略有扩大，高温区域等值线鼓起程度较小，温度梯度增大，说明挡板的设置不利于2股流体间的热量交换。从图7可以看出，出口截面下方的等温线在形态和位置上几乎无变化，出口截面上方等温线变化显著，因此挡板对于热水区域的热量交换的影响更为显著。

表1 挡板附近压力极值

3 结论

在某双层U型管内隔板出口后方布置挡板，对管道内的流动结构有显著影响，可以得出下面的结论。

设置挡板后，管道内湍动剧烈，随着d的增大，高涡量区域范围扩大，涡强度增强，隔板出口处的涡形态上下波动更加剧烈，挡板后方的高涡量区域的涡尾变长；管道内平均流速先增大后减小，d=10mm时平均流速最大，隔板后的尾流范围减小，流速增大；设置挡板可以显著改善隔板出口处的压力分布情况，d=10mm时隔板出口处与隔板两侧的压差最小，随着d的增大，隔板两侧的压强升高，隔板后的压强降低，压差增大，无挡板时隔板后低压区出现负压，压差最大，而随着d的增大，挡板处的压差逐渐增大；无挡板时，出口处流体间换热效果最好，设置挡板后，对热水区域的换热影响较大，冷水区域的换热情况基本无变化，随着d的增大，换热效果变差。