中空扭旋元件数目对管内层流传热特性的影响

张傲宇 丁桂彬 王宗勇

摘      要：为探究中空扭旋元件数目对换热管传热特性的影响规律，采用数值模拟方法对Re=200～1 800范围内恒壁温条件下的管内传热进行了分析。研究结果表明：双中空扭旋元件换热管的Nu明显高于单中空扭旋元件换热管，但随着扭旋元件数目的继续增加，Nu变化并不明显;当中空扭旋元件数目增多时，换热管的f也随之增大;双中空扭旋元件换热管的PEC值明显好于其他换热管，所有中空扭旋元件换热管的PEC值均大于1。

关  键  词：中空扭旋元件;传热性能评价因子;数值模拟;层流

中图分类号：TQ053.6       文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2020）08-1635-04

Abstract： In order to investigate the influence of the number of hollow twisted elements on the heat transfer characteristics of heat transfer tubes， the numerical simulation method was used to analyze the heat transfer in the tube under constant wall temperature in the range of Re=200～1 800. The results showed that the Nu of the double hollow torsion element heat exchange tube was significantly higher than that of the single hollow twisted element heat exchange tube， but as the number of twisted elements continued to increase， the Nu change was not obvious; When the number of hollow twisted elements increased， the f of the heat exchange tube also increased; the PEC value of the heat exchange tube with the double hollow twisted elements was obviously better than that of the other heat exchange tubes， and the PEC values of all the heat exchange tubes with the hollow twisted element were greater than 1.

Key words： Hollow twisted element; Heat transfer performance evaluation factor; Numerical simulation; Laminar

采用强化换热技术提高换热器效率是当前换热器研究领域的一项重大课题。刘伟等[1]提出了管内对流传热强化技术分为基于表面的强化换热技术和基于流体的强化换热技术。其中基于流体的强化换热技术是通过对流体核心区的扰动，使流体核心区域温度尽量均匀，在边界处形成等效热边界层来实现强化传热。在换热管中插入扭旋元件是基于流体强化换热技术的一种有效的手段[2-8]。管内插入扭旋元件强化传热的主要机理是管内流體产生旋转并引起二次流， 产生不断的旋涡， 使主体流体和壁面边界层流体充分混合， 减薄边界层， 以强化传热。此外，扭旋元件还能分割和阻碍流动、产生肋片效果以及扩大流动路径， 这些效果也能达到强化传热目的。伴随着传热的强化， 管内插入扭旋元件也使流体的流动阻力增大， 从而增大了能量损失。因此，解决换热器的换热强化与阻力增加的平衡问题就成为了首要目的。内置扭带的传热强化方法虽然能有效提高换热器的传热效率但同时也增加了流动阻力，使换热器能耗增加。

张晓屿等[9]对在圆管内间隔布置多个扭旋单元时的传热和流动性能进行了数值模拟研究，研究结果表明，在充分发展的层流状态下，间隔扭旋单元可以造成圆管传热性能的强化，并且流动阻力增长不大，从而提高了换热管的热-水力学综合性能。吴剑华等[10]在所研究的雷诺数范围内得出结论，四叶片组合静态混合器相比于普通SK型静态混合器对湍流换热强化作用更为显著，传热效率提高约20%，有效地提高了传热效果。龚斌等[11]对一个截面上安有一至四个扭旋叶片的静态混合器内流场分别进行模拟计算分析。结果表明，随着叶片数目的增加，换热管的阻力系数也随之增加。S W Hang[12]等对管内插入相同长径比，相同厚度的单个扭带、两个扭带、三个扭带进行了数值模拟分析，并拟合出来含有单个扭带、两个扭带、三个扭带的换热管的Nu关联式。结果表明三种结果在层流的换热效果优于在湍流的情况下。在层流状态下，单个扭带、两个扭带、三个扭带的Nu分别为光管的1.5～2.3、1.9～2.8、2.8～3.7倍。

张晓屿等[13]对内置中空扭带换热管的传热与流动特性进行了数值模拟研究，结果表明，当相对扭旋元件宽度为管径一半时，扭旋元件表面积缩小，能有效降低流体的阻力，并且能够显著提升换热管的换热综合性能;Guo等[14]分别对内置传统扭带热管与中空扭带热管的传热性能进行了数值模拟研究，结果表明，与传统扭带相比，中空扭带传热性能提高了7%～20%。Li等[15]通过数值模拟研究了一种新型窄边中空扭带的强化传热特性，与传统扭带相比，这种新型窄边中空扭带的最佳整体传热性能提高了28.1%。当扭带数为4时，雷诺数增加到600以上，换热管的整体换热性能最佳。

纵观现有文献可知，中空扭旋元件与传统扭带相比具有良好的综合传热性能，得到了中空扭旋元件结构包括元件宽度、扭率等对传热性能的影响规律，但关于中空扭旋元件数目变化对换热管传热特性的影响却鲜有报导，这种现状阻碍了该种类型换热器的优化设计及工业应用。因此，本文的目的是掌握中空扭旋元件数目变化对管内传热特性及流动特性的影响规律，为中空扭旋元件的进一步开发利用提供理论基础和技术支持。

1  物理模型及数值模拟方法

1.1  物理模型

本文的研究对象为插入数目不同中空扭旋元件的换热管。中空扭旋元件为中空扭旋元件是指在缠绕在空心轴上的扭旋元件。中空扭旋元件由四组相同的扭旋元件组成，各组扭旋元件沿换热管轴向首尾相接排布，并同心内置于管内。扭旋元件的对应的轴截面内分别包含着1～4个扭旋元件，其中2、3、4个扭旋元件相邻轴向2组构件分别错开180°、120°和90°。

研究对象的结构参数如下：管道内径D=20 mm，管长L=200 mm，管道入口长度Li=40 mm，元件总长Le=120 mm，扭旋元件厚度δ=1 mm，扭旋元件外径do=19 mm，内径di=11 mm。两种排列方式的换热管结构如图1所示。

1.2  数值模拟方法

本文选用的工质为水，以往学者研究中空扭旋元件换热管大多采用常温状态下的水为流体，但考虑实际工况，本文所采用的水的初始温度为323 K，采用恒壁温边界条件（壁温为363 K），雷诺数范围Re（Re=ρuD/）=200～1800。元件与流体接触的边界采用无滑移边界条件，忽略自然对流及温度对介质性质的影响。采用Fluent 17.0进行CFD模拟，选用三维稳态模型，压力场和速度场的耦合采用Simplec算法，动量和能量方程都采用QUICK格式，连续性、动量和能量方程收敛条件均设定在10-6以下。

1.3  网格划分及无关性检验

本文采用Solidworks建立几何模型，利用hypermesh进行网格划分，采用四面体网格并在靠近壁面处进行了网格加密。为了消除网格尺寸对计算结果的影响，本文对含有四中空扭旋元件结构模型的换热管在Re=200的情况下进行了网格无关性检验。划分了5种尺寸网格，得到了每种模型的平均努赛尔数与网格数关系曲线，如图2所示。

由该图可以看出：当换热管的网格数为147万左右，网格尺寸对传热系数的影响即可忽略不计。

2  传热强化性能评价方法

利用综合性能评价因子PEC值，考虑换热系数或努赛尔数，以及流动阻力，综合评价换热管的换热特性为当前一种有效的判别方法。

3  数值模拟结果及分析

3.1  平均努塞爾数Nu

为了分析中空扭旋元件数目对传热性能的影响，本文计算了Re=200～1800范围内共计9个雷诺数下的中空扭旋元件换热管以及光管努赛尔数Nu，Nu随Re变化规律如图所示。

由图3可看出：管内含有双中空扭旋元件，三中空扭旋元件及四中空扭旋元件的Nu区别不大，高于单扭旋元件。四种数目不同的中空扭旋元件的Nu均高于光管，分别为光管的1.28～2.21倍、1.41～2.57倍、1.46～2.59倍、1.42～2.60倍。

相比于单中空扭旋元件，双中空扭旋元件的Nu明显要高。流体会受到扭旋板的切割和分流作用，而扭旋元件的增加强化了切割和分流效果，使流体更好地沿着径向及切向流动，加强了壁面区流体与中心区流体的掺混，管内速度梯度较大，传热边界层减薄，传热系数提高。

但这种现象随着扭旋元件数目的增加，传热系数并没有显著的提升。扭旋元件数目的增加虽然可以使流体进一步切割和分流，但当扭旋元件数目过多时，扭旋元件切割和分流的效果并不明显，甚至有可能阻碍流体流动，故应合理增加扭旋元件的数目。

3.2  阻力系数f

但是扭旋元件数目增多势必会导致流动阻力增大，由图4可以看出：阻力系数f随着数目的增多而增多，分别较光管增大了1.59～2.48倍、2.01～3.16倍、2.38～3.60倍及2.75～4.16倍。数目越多，阻力系数也越大，这是由于随着数目的增多，增大了元件对流体的摩擦阻力，导致流体的流通面积变小。此外，数目的增多，导致了扭旋元件总面积的增加，也是流动阻力增大的一个重要原因。

3.3  传热性能评价因子PEC值

传热性能评价因子PEC值能够反应传热与流体阻力的综合影响，由图5可以看出：所有中空扭旋元件换热管的PEC值均高于1，证明管内内置中空扭旋元件可以很好的提升换热管的综合传热性能。双中空扭旋元件的换热管的PEC值明显高于其他几种中空扭旋元件的换热管，PEC值=1.12～1.75。其次为三中空扭旋元件换热管，PEC值=1.09～1.69，单中空扭旋元件换热管与四中空扭旋元件换热管差别不大，PEC值=1.10～1.63、1.01～1.61。这是由于，当数目为2.3.4时的换热管的Nu差别不大，根据PEC值公式，双扭旋元件换热管的流体摩擦阻力最小，故PEC值最大。单扭旋元件换热管的阻力系数f小于四扭旋元件换热管，但单扭旋元件换热管的Nu小于四扭旋元件换热管，两者相互作用下，单扭旋元件和四扭旋元件的PEC值相差不大。故双中空扭旋元件换热管的综合传热性能最好。

4  结论

本文对横截面上数目不同的中空扭旋元件换热管传热性能进行了数值模拟研究，并从传热系数，摩擦阻力系数及综合传热性能评价因子对换热管的传热性能进行了评价。研究结论如下：

1）在Re=200～1 800的范围内，所有换热管的Nu均随着Re的增加而增加，且均高于光管。横截面上扭旋元件数目为2、3、4的中空扭旋元件换热管的Nu明显高于单中空扭旋元件换热管;但扭旋元件数目为2、3、4时，换热管的Nu变化并不明显。

2）在Re=200～1 800的范圍内，所有中空扭旋元件换热管的f均随着Re的增加而减小，且均高于光管。并且扭旋元件数目越多，中空扭旋元件换热管的f越大。分别较光管增大了1.59～2.48倍、2.01～3.16倍、2.3～3.60倍及2.75～4.16倍。

3）在Re=200～1 800的范围内，所有中空扭旋元件换热管的PEC值均随着Re的增加而增加，且均高于1。双中空扭旋元件换热管的PEC值最大，PEC值=1.12～1.75。

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