内置转子换热管强化传热数值模拟

内置转子换热管强化传热数值模拟
张震;杨卫民;韩崇刚;阎华;杨斯博;赵本华
【摘要】为分析内置转子换热管的传热效果,建立光管和内置转子换热管的三维模型,对换热管内流场、温度场、压力场以及传热过程进行模拟,得到管内流体的阻力特性和传热特性.模拟结果表明:内置转子换热管内的三维流动比较复杂,转子与管壁之间缝隙内的流体有明显的环绕流动,切向速度和径向速度也增大到一定范围；相同雷诺数条件下,内置转子换热管压降比光管增大2.09 ～2.66倍,管内流体进出口温差比光管增加0.67～0.76℃.内置转子换热管较光管有较强的湍动程度,尤其是近壁区域,因此强化管内的对流传热,传热系数显著提高,从而验证转子具有强化传热的功能.
【期刊名称】《计算机辅助工程》
【年(卷),期】2011(020)002
【总页数】6页(P57-62)
【关键词】内置转子换热管;强化传热;压降;数值模拟
【作者】张震;杨卫民;韩崇刚;阎华;杨斯博;赵本华
【作者单位】北京化工大学机电工程学院,北京100029;北京化工大学机电工程学院,北京100029;北京化工大学机电工程学院,北京100029;北京化工大学机电工程学院,北京100029;北京化工大学机电工程学院,北京100029;北京化工大学机电工程学院,北京100029
【正文语种】中文
【中图分类】TB657.5;TB115.1
0 引言
国家发展和改革委员会发布的节能中长期专项规划［1］指出:我国能源利用效率比国际先进水平低10个百分点左右，并且特别说明火电机组平均效率约为33.8%，比国际先进水平低6～7个百分点.
在火力发电中，汽轮机冷端凝汽器的能量损失高达60%，是节能挖潜最重要的环
节之一.凝汽器在运行过程中容易积污结垢，一旦积污结垢其传热效果会急剧下降，造成能源浪费和环境污染.因此，研究传热表面污垢防止、自清洁对强化传热、节
能降耗和提高经济效益有十分重要的意义.［2］理想的换热管强化传热技术应兼具强化传热和在线自动清洗功能［3-4］，否则传热面上的污垢会使一切强化传热的努力变为零.［5］转子组合式强化传热装置是一种新型强化传热装置，具有在线自动清除污垢和强化传热的双重功能.
运行时，管程介质通过进流孔流入到换热管中，转子在水流的推动下开始旋转，使水流不仅沿轴线做螺旋运动，而且在转子边缘处做复杂的运动.这样，水流对管壁
具有较大的冲击作用，使微生物和黏泥等杂质不易沉积在管壁上，实现防垢.同时，在介质的冲击驱动下，转子在换热管内不停地快速旋转，并以“陀螺原理”自动悬浮于介质中，使管内介质由层流状态或过渡流状态变为以旋转流动为主的复杂流动.这种复杂流动状态强化换热管中心流体与管壁流体的置换作用，并产生二次流，大大减小边界层厚度，显著提高传热效率.此外，转子组合式强化传热装置极大地降
低换热管间介质流量的不均匀性，进一步增强换热器传热效果，因此可同时实现自清洁和强化传热的双重作用.
由于转子的转动特性对在线除垢、防垢和强化传热效率有直接影响，研究换热管内流场的流动特性(如速度、压力分布等)对提高转子转动特性具有重要意义.但是，转
子在换热管内除进行螺旋运动外，还伴有随机的径向摆动和少量的轴向串动，使换热管内的流动场分布极其复杂.［6］随着计算机技术的不断提高以及计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)和数值传热学的飞速发展，数值模拟方
法已成为研究换热器的重要手段之一.采用数值模拟方法研究换热器的速度场、温
度场以及压力场［7］，可以克服使用实验方法无法观察结构对流动和传热微观影响的不足，因此对转子进行数值模拟，可形象地展示转子结构参数和转动特性对强化传热的影响.
1 数学模型及其求解
1.1 模型的建立
模型长为216 mm，换热管内径为23 mm，换热管内置转子外径为19 mm，导
程为400 mm，单个转子长度为30 mm.在换热管内安装多个转子并同步旋转，
保证流体经管程入口后依次受到各个转子的扰流作用，使模拟更接近现实工况.使
用三维实体造型工具分别建立内置转子换热管和光管流场分析区域，见图1，建模时设置单位为mm.
图1 流场分析区域Fig.1 Region of flow field analysis
由于转子转速较快，流体质点运动非常复杂，流场区域的网格划分直接影响流场数值模拟结果的准确性.用Gambit划分网格，见图2，并将有限元模型输出为mesh 文件格式，为求解作好准备.
图2 网格划分Fig.2 Mesh generation
1.2 计算设置
采用CFD软件FLUENT对内置转子换热管和光管分别进行数值模拟.将模型导入FLUENT中，设置导入单位为mm.由于流体湍流流动各向异性，切向速度的脉动
比轴向速度的脉动剧烈，而RNG k-ε模型对瞬态变流和流线弯曲影响的预报能力
较强，可选用该模型进行稳态分析.压力与速度的耦合计算采用SIMPLE方法［8］，
对流项采用2阶迎风格式，在求解过程中当连续性方程、动量方程和能量方程中的变量残差分别达到10-4，10-4和10-6时，认为计算收敛.
1.3 控制方程
基于不可压缩的牛顿型流体，在常物性和宏观热能守恒的假设下，换热器管程流体流动和传热必须满足以下3个控制方程［9］:
连续性方程
动量守恒方程
能量守恒方程
1.4 边界条件设置
(1)流场区域.流体在装有转子的换热管内流动时，在转子的导流作用下流场大致呈螺旋形，所以流场区域的运动性质设置为rotation，采用旋转参考坐标系.［10］(2)进口边界.采用速度进口边界条件，内置转子换热管及光管的管程进口速度uin 由1.0 m/s依次递增0.1 m/s至1.6 m/s，进口温度Tin=20℃;壳程进口速度u′in=0.2 m/s，进口温度T′in=80 ℃;采用压力出口边界条件.
(3)壁面条件.管壁壁面采用无滑移固定粗糙壁面，内管壁壁面热流量守恒，外管壁绝热，近壁区域流动计算的处理采用Scalable壁面函数模型.内管的两壁面设为Fluid-Solid交界面.
2 计算结果及对比分析
2.1 速度场分布
图3和4分别是流速为1.0 m/s时内置转子换热管和光管的管内流线图，图中左侧是管程流体入口方向.
图3 内置转子换热管管内流线图，m/sFig.3 Streamline in heat-exchange tube with assembled rotors，m/s
图4 光管管内流线图，m/sFig.4 Streamline in plain tube，m/s
由图3和4可知，内置转子换热管内流体的流动发生根本性变化，整体呈现出有规律的三维螺旋状旋转运动;而光管管内的流体只呈现常规的直线流动.［11-12］螺旋状流动状态不仅加剧流体的湍流强度及边界层的扰动，还可及时阻止污垢的沉积，从而达到强化传热和自清洁的双重效果.
图5和6分别是流速为1.0 m/s时内置转子换热管和光管出口切向速度矢量图. 图5 内置转子换热管出口切向速度矢量图，m/sFig.5 Tangential velocity vector of outlet of neat-exchage tube with assembled rotors，m/s
图6 光管出口切向速度矢量图，m/sFig.6 Tangential velocity vector of outlet of plain tube，m/s
由图5和6可知，与光管相比，内置转子后换热管边界层内的流体切向速度得到大幅提高，切向速度由5.0×10-5m/s提高到0.079 64 m/s，从而可以得出转子宽度内的流体在转子的导流作用下产生较大的切向速度.由切向速度分量产生的离心力会使流体中间区域密度较大的冷流体趋于向外流动，并与靠近边缘的密度较小的热流体混合，这种径向混合现象有效地减小传热过程中的物理场协同角，从而大大提高换热管的传热效率.
在换热管内装入转子组合式强化传热装置后，不仅使流体边界层内的切向速度得到大幅提高，同时也使流体在边界层内的径向速度得到提高，径向运动得到加强.图7和8分别显示流速为1.0 m/s时内置转子换热管和光管出口径向速度矢量图.
图7 内置转子换热管出口径向速度矢量图，m/sFig.7 Radial velocity vector of outlet of heat-exchange tube with assembled rotors，m/s
图8 光管出口径向速度矢量图，m/sFig.8 Radial velocity vector of outlet of
plain tube，m/s
由图7和8可知，内置转子后换热管管壁附近边界层内的流体径向运动得到大幅加强，径向速度由5.4×10-5m/s提高到3.047×10-3m/s.可以推断，随着换热管内流体入口速度的不断增加，内置转子换热管边界层内的流体径向运动较相同条件下的光管更加强烈，从而使得管内边缘流体与中心流体的径向流动及热量交换更加容易，温度场与速度场的物理场协同度得到改善，最终使局部努塞尔数得到提高，传热过程得到强化.
2.2 压力分布
在流速为1.0 m/s换热管流场内选取某些横截面，在FLUENT中分别求出这些横截面上压力的平均值，最后采用OriginPro 8.0将这些点描绘成线，得出内置转子换热管和光管轴向压力的对比曲线，见图9.
图9 换热管轴向压力曲线Fig.9 Axial pressure curves of heat-exchange tubes 由图9可知，内置转子换热管及光管的管内流体压力从进口到出口呈下降趋势.根据能量转化原理，流体流经内置转子换热管时将一部分能量传递给转子，一部分能量用于克服阻力损失，到出口时流体的能量自然相对减少，相应的压力也会下降.［13］只是光管内流体损失的能量仅用于克服阻力，因而内置转子换热管进、出口压差比光管高.同时，换热管轴向压力近似沿轴向呈线性变化，验证换热管进、出口压差与换热管管长成正比.
2.3 温度场分布
换热管管内的流体在经过洁能芯转子的扰流作用后，不仅速度场以及压力分布发生改变，温度场的分布也比较理想.
图10和11是流速为1.0 m/s时内置转子换热管和光管管内流体温度分布云图，相比光管管内流体进、出口温差(0.836 77℃)，内置转子换热管管内流体进、出口的温差相对较大.这是由于换热管内安装转子组合式强化传热装置后，转子的扰动
及其对管壁边界层的破坏作用使换热管内的物理场协同度与光管相比得到较大提高，流体温度由进口至出口逐渐升高1.597 07℃左右，传热效果比较理想.
图10 内置转子换热管管内流体温度分布云图，℃Fig.10 Temperature of flow inside heat-exchange tube with assembled rotors，℃
图11 光管管内流体温度分布云图，℃Fig.11 Temperature of flow inside plain tube，℃
2.4 阻力特性
换热管进、出口压降随雷诺数(Re)的变化规律见图12，可知，内置转子换热管管
内流体的压降随着Re的增大而急速增大，在插有转子的换热管中，流体按螺旋运动的规律流动，同时伴有二次流并形成复杂的涡流.［14］在相同Re条件下，内
置转子换热管压降比光管增大2.09～2.66倍.
图12 换热管压降曲线Fig.12 Pressure drop curves of tubes
2.5 传热特性
换热管进、出口温差随Re的变化规律见图13.模拟结果表明，内置转子换热管管
内流体进、出口温差比光管增加0.67～0.76℃，在一定程度上说明转子提高传热
效率.转子在水流的冲击下做回旋运动，转子的旋转运动导致水流由稳流状态变为
复杂的紊流状态，并且破坏换热管内壁上的边界层，从而强化传热效果.
图13 换热管进、出口温差变化曲线Fig.13 Curves of temperature difference between inlet and outlet of tubes
3 结论
(1)由于流体湍流流动各向异性，切向速度的脉动比轴向速度的脉动剧烈，而RNG k-ε模型对瞬态变流和流线弯曲影响的预报能力较强，本文使用该湍流模型对换热管内置转子强化传热过程进行模拟，并将内置转子换热管与光管的模拟结果进行比较.
(2)内置转子换热管管内流体的流动发生根本性变化，整体呈现出有规律的三维螺旋状旋转运动，而普通管内的流体只呈现常规的直线流动.
(3)多个转子的共同作用可有效提高管内边界层流体的径向速度及切向速度、增强传热过程、提高传热速率，不仅速度场发生改变，温度场的分布也比较理想，从而说明流体被较充分地混合，强化传热效果较好.
(4)在相同Re条件下，内置转子换热管压降比光管增大2.09～2.66倍，管内流体进、出口温差比光管增加0.67～0.76℃，验证转子具有强化传热的功能.
(本文获计算机辅助工程及其理论研讨会2011(CAETS 2011)优秀论文奖.)
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