螺旋椭圆管强化传热的数值模拟研究
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摘 要：在对流换热的场协同理论指导下，对直椭圆管进行数值模拟研究，得出要使椭圆管传热增强的同时阻力增加尽可能小的有效途径是：通过改变流道结构诱导流体尽可能沿与热流平行的方向流动，而且沿流动方向上流动截面尽可能不发生变化。在此基础上设计了一种强化传热管型--螺旋椭圆管，并对该种管型的换热与阻力特性进行了数值分析和研究。
关键词：强化传热；场协同；螺旋椭圆管
1 引言
由于流体对流换热的复杂性，目前对流体强化传热的研究仍然以实验为主，是一门实验性很强的学科。对于当前工程中遇到的大多数问题可以通过实验研究得到认识和解决，通过实验的手段人们对一些传热问题在理论上有了比较清楚的理解，但完全用实验的方法来确定最优结构及其使用范围等，人力物力消耗太大，有些问题甚至难以实现。随着科学技术的发展，电子计算机的性能极大提高，计算流体力学和计算传热学得到了较快的发展，采用数值模拟的方法对强化传热进行研究，正在得到广大科技工作者的青睐。数值模拟方法能够预测各种工况下的流体流动与传热情况，方法简单、效率高、成本低，大大缩短了换热器研究设计的周期。因此，对换热器的数值模拟，将成为换热器结构优化的一种重要手段。本文在对流换热的场协同理论（对流换热的性能不仅取决于流体的速度和物性以及流体与固壁的温差，而且还取决于流体速度场与流体热流场间协同的程度，即速度矢量与温度梯度的夹角大小。在相同的速度和温度边界条件下，速度矢量与温度梯度的夹角越小，则换热强度就愈高）指导下，对直椭圆管进行数值模分析，在此基础上结合当前典型的通过改变流道结构来实现强化换热的强化换热管的特点，设计了一种新的强化换热管型--螺旋椭圆管，并对螺旋椭圆管的换热与阻力特性进行了数值分析和研究。
2 直椭圆管的数值模拟
工程实际中有各种各样的强化换热管，很多管型都是由光滑直管不断改进而得来的。因此，我们先用数值模拟的方法来分析一下直椭圆管的速度场和热流场的分布，以及阻碍直椭圆管对流换热的热阻主要集中在哪个部位，从而采取合理的措施改善管内速度场和热流场的协同，实现更好的强化传热效果。
3 直椭圆管的改进
由上面的分析可知，要使管内流动换热得到强化，应使流体尽可能沿与温度梯度平行的方向流动，从而使速度场和热流场的协同性更好，实现更好的综合换热效果。而现有的通过对流动通道本身进行弯曲或扭曲、缩放等，使流体在流动过程中，随着流道截面不断发生变化，产生与主流方向垂直的二次流动从而强化换热的异形管，由于沿流动方向，流动截面的不断变化，其换热能力确实得到了增强，但阻力也相对增加较多。因此本文的改进思路是：换热管结构既可以诱导流体产生涡旋流动，改善速度场和热流场的协同；又在流动方向上，流动截面保持不变，从而保证换热强化的同时，流动阻力增加相对较小。基于这种思路本文用螺旋椭圆管代替直椭圆管，对其进行数值分析。
设计一种螺旋椭圆管，对其进行数值分析，并与相同条件下的直椭圆管进行比较，以验证螺旋椭圆管的速度场与热流场的协同性要比直椭圆管好，即综合换热效果要好，进而证明这种改进思路的可行性。
螺旋椭圆管的尺寸：长轴为10.4mm，短轴为6.4mm，螺距：100mm，取一个螺旋周期进行计算。
直椭圆管的尺寸：长轴为10.4mm，短轴为6.4mm，管长：100mm。
数值计算的条件为：①常物性，管内介质为空气；②无滑移速度边界Uw=0，进出口流动为周期性边界条件，进口平均流速为：分别取0.9327m/s（Re=1000），18.654m/s（Re=20000）；③温度边界：定壁温Tw=350K，进出口温度为周期性边界，上游温度为：T=300K数值计算采用Fluent6.2，湍流模型采用标准k-ω模型，压力与速度的解耦采用SIMPLEC算法，动量和能量的离散均采用QUICK格式，壁面采用强化壁面处理；计算的总网格单元数螺旋椭圆管为146038，直椭圆管为132272；计算结果如下：
4 螺旋椭圆管内流动换热与阻力特性的数值分析
为了更好的研究螺旋椭圆管的强化换热特性，本文对所设计的管型分别在低雷诺区（Re=200-2000）和高雷诺区（Re=10000-40000）进行计算，得出努赛尔数Nu和摩擦系数f随Re数的变化趋势，并与同型号直椭圆管以及经典的管内对流换热和阻力特性关联式（齐德--泰特（Sieder--Tate）
公式、格尼林斯基（Gnielinski）公式、Gnielinski公式）的计算结果进行对比分析。分别取Re=200，500，1000，1500，2000，10000，20000，30000，40000时的质量流量进行计算，管型及其他计算条件与上一部分相同。
5 结论
①在对流换热的场协同理论指导下，对直椭圆管进行数值模拟研究，得出要使椭圆管传热增强的同时阻力增加尽可能小的有效途径是：通过改变流道结构诱导流体尽可能沿与热流平行的方向流動，而且沿流动方向上流动截面尽可能不发生变化。在此基础上设计了一种强化传热管型--螺旋椭圆管；②对螺旋椭圆管以空气为工质分别在低雷诺区和高雷诺区的对流换热与阻力特性进行了数值模拟研究，结果表明：由于螺旋壁面结构诱导流体旋转流动，使得速度场和热流场的协同性得到改善，从而使螺旋椭圆管的综合换热能力得到增强。在低雷诺区，与圆管相比螺旋椭圆管的换热增强了约60%-500%，阻力增加约50%-350%：在高雷诺区，与圆管相比其换热能力增强了约30%-200%，阻力增加约为100%-200%。
参考文献：
[1]杨世铭，陶文铨.传热学（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2006.
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