计算流体力学螺旋管分析报告

重庆大学《计算流体力学与计算传热学基础》上机实验水平螺旋管内的对流换热过程

学生：刘伟文

学号：********

指导教师：***

专业：热能与动力工程

重庆大学动力工程学院

二O一五年六月

一、前言

螺旋管在热力、化工、石油及核工业等领域得到了广泛应用，螺旋管换热器也具有结构简单、传热系数高等优点。它的传热系数比直管高，在相同空间里可得到更大的传热面积，布置更长的管道，减少了焊缝，提高了安全性。尽管螺旋管的流体阻力增大，压降增大，但是其传热效率的提高导致能量的节约要高于因阻力增大而消耗的能量。因此，螺旋管在许多行业得到普遍应用而倍受青睐。在工程应用中，由于工艺要求，往往需将流体加热至规定的温度范围，传热是其中的基本单元操作，所以有必要对螺旋管的传热与流动特性进行研究。从理论知识我们知道由于向心力的作用，流体从管中心部分由螺旋管内侧流向外侧壁面，因而造成了螺旋管内侧的低压区。在压差作用下，流体从外侧沿着圆管的上部和下部壁面流回内侧。这种流动是与管的轴向垂直的，也就是与流体的主体流动相垂直，称为二次流。流体的这种二次流与轴向主流复合成螺旋式的前进运动。这样，对于流体的传热传质，不仅可依靠流体的径向扩散，还有径向二次流的作用，相当于边界层进行了破坏，增强了流体传质。

二、GAMBIT建模

1、先建立一个半径为6的圆面。

2、将该圆面向X轴正方向移动120。

3、用圆面sweep形成螺旋柱体。（绕Y轴正方向）

4、重复以上操作，得到如图所示几何体弯管。

5、设置边界层。

并应用至每个截面：

6、设置圆面的网格，选择pave方式，interval size 选择0.6，这样边界层网格与圆面中心网格过渡较平缓。

7、依次建立体网格。

8、检查网格质量。

最差网格为0.41，满足要求。

8、输出网格。

三、Fluent 计算

1、载入网格后，进行scale设置网格长度单位。

2、定义求解器。

3、定义能量方程，确定求解温度场。

4、定义湍流模型。由于该算例是管内湍流流动，这里使用标准的K-e模型进行求解。

5、定义材料为液态水，物性参数取20°C时水的物性参数。

6、定义边界层条件。

（1）边界层流体区工质为水。

（2）管道进口定义为速度出口（流速为5m/s，进口湍流强度为5%，水力半径为螺旋管管半径0.006m，进口水温为300K）。

（3）管道出口定义为压力出口（湍流强度为5%，水力半径为0.006m）（4）壁面条件定义为恒温条件（tw=350K）

8、初始化（利用整个区域进行初始化）。

9、残差设定

10、求解计算。

迭代1000次，观察到400步时残差值已趋于稳定，表明管内流场已接近稳定，可以用于分析。

四、数据分析

1、建立分割面

在（-90，0）、（0,180）以45°为间隔取五个点，如图所示：

2、计算各截面的平均对流换热系数

参数设置如表所示

Mass-Weighted Average

Static Temperature (k) ----------------------------------------------------

angular=-45 302.88837将该温度复制至下图

最后算得

Area-Weighted Average

Surface Heat Transfer Coef. (w/m2-k)

----------------------------------------------------

angularwall=0 19720.918

依次计算可以得到（-90，0）、（0,180）各截面数据：

努塞尔数Nu 截面角度（°）温度（K）对流换热系数

（W/m2·K）

-90302.7010518368.947183.68947

-75302.8279119555.645195.55645

-45302.8883719720.918197.20918

0303.9122319946.016199.46016

45304.6919920366.144203.66144

90303.7642520582.428205.82428

180308.4860521009.771210.09771

五、结果分析

1、温度云图

2、显示速度矢量

将得到的数据输入到excel里，拟合出轴向换热系数随角度变化的曲线如下图所示：

据公式Nu=hd/λ,可得到周向平均Nu数的曲线，从曲线的走势来看Nu随角度增加，显然实验所得结果与理论值有误差。可能是因为截面选取不够均匀，甚至部分截面选取有问题。该实验结果中可求其平均值Nu=198.64

雷诺数Re=ρ*u*d/μ=998.2*5*0.008/0.001003=39808.57428

普朗特数Pr=μ*Cp/λ=0.001003*4182/0.6=6.991

δ=r/Rc=6/120=0.05

根据经验公式Nu=0.023*Re^0.85*Pr^0.4*δ^0.1=301.5926