套管换热器湍流对流换热的数值模拟

套管换热器湍流对流换热的数值模拟

1.俞接成 1.吴小华

2.刘全

摘要：为了获得换热器中强化换热管对换热性能的综合影响，笔者运用FLUENT软件，采用二维轴对称方法和K一ε模型对套管换热器的整体进行了数值模拟。分别模拟了光管和波纹管套管换热器在湍流情况下的换热性能。数值计算结果表明：光管套管换热器的总传热系数K 的数值计算结果与经验公式计算结果吻合很好；与光管相比，在相同流动条件下波纹管可提高总传热系数120，但随着Re增大，其影响逐渐减小。

关键词：套管换热器；波纹管；数值模拟；强化换热

随着能源的日益紧张，人们对强化换热的研究日益重视。套管换热器是进行强化换热管性能实验研究的主要实验装置，许多强化换热管的强化换热性能都是利用套管换热器来进行的。随着计算机硬件、计算流体力学和计算传热学的不断发展，数值模拟已经成为传热学研究的一种重要方法。在强化传热管研究方面，数值模拟也被广泛应用。但在研究中，普遍的做法是取换热管的一部分，将其设置为等壁温或等热流边界条件，然后按流动与传热均已充分发展的情况来进行模拟。这样处理将无法考虑进口段对换热的影响，而且不能获得强化换热管对管外流体流动和换热的影响。如果能对整个套管换热器进行模拟，则可以获得强化换热管的整体换热性能，与实际的实验工况更为接近。目前尚未检索到有关对整个套管换热器进行数值模拟的文献报道。

笔者将尝试采用二维轴对称方法，应用FLUENT软件对在湍流情况下的整个套管换热器的对流换热情况进行数值模拟。由于FLU—ENT软件中有多种湍流模型可供选择，首先模拟了光管充分发展湍流、等壁温条件下的努塞尔数和摩擦系数，并将数值计算结果与经验公式进行比较，以确定合适的湍流模型和FLUENT软件的其他选项。然后再对光管套管换热器的换热性能进行数值模拟，比较总传热系数K 的数值计算结果与运用经验公式计算结果。在此基础上对波纹管套管换热器非换热性能进行模拟，并将其与光管套管换热器的总传热系数进行对比，分析波纹管对总传热系数K 的影响。

2 物理模型和边界条件

2.1 湍流模型的选择

在FLUENT软件中，有多种湍流模型可供选择，如志K一ε湍流模型、雷诺应力模型(RSM)等，为确定合适的湍流模型FLUENT软件中的选项，首先模拟了以水为介质、等壁温热边界、直径为20mm的光管在充分发展湍流情况下的对流换热问题，假定水为常物性，其物性参数引用FLUENT数据库中的值。分别模拟了雷诺数Re分别等于1万、2万、4万、6万、8万和1O万六种流动情况，并将数值模拟所获得的摩擦系数f和努塞尔数Nu与经验公式进行比较：

结果表明：当选用标准K一ε湍流模型，并选择强化壁面处理方式的模拟结果与经验公式最吻合，数值计算结果与经典经验公式的对比如图1所示。在Re较小(Re=1×104)时的误差相对较大，摩擦系数f和努塞尔数Nu的最大误差分别为8．94 和9．85 ，其他Re下的数值模拟结果与经验公式的误差较小。在后面对套管换热器的模拟中将采用标准K一ε湍流模型并选择强化壁面处理方式进行模拟。

2.2 物理模型和边界条件

采用二维轴对称方法对套管换热器进行模拟，分别模拟了光管和波纹管两种情况，其中换热管的长度为2 m，套管的直径为40 mm，光管直径为20 mm，波纹管的结构尺寸如图2所示。

应用GAMBIT软件对套管换热器进行建模和网格划分，不考虑壁厚的影响，整个套管换热器共划分了16万个网格，设置了管内和环形空问两个流动区域，在FLUENT软件中可分别设置为不同的介质，在本文中均设为水，并假定是常物性，管内和套管的流动为逆流。其他的边界条件为：套管壁面绝热，光管或波纹管的壁面设为耦合条件，管内或环形空间的人口设为质量流量人口，流量大小根据计算的雷诺数Re进行确定，模拟了管内和环形空间的雷诺数相等，并分别等于l万、2万、4万、6万、8万和10万六种工况，管内人口温度设为350 K，套管的人口温度设为300 K。出口均设为压力出口条件。

3 数值计算结果分析

3.1 光管套管换热器

当内管为光管时，总对流换热系数K1可分别由数值模拟和经验公式计算获得。由经验公式计算时，先由公式(1)计算管内和管外的努塞尔数Nu，进而由式(3)和式(4)计算K1，根据数值模拟时所作的简化，不考虑壁面热阻和污垢热阻。

数值模拟时，由FI UENT软件求得内管壁面的换热量Q和内管套管的出口体平均温度，求出对数平均温差△tm，然后由传热方程式(5)计算总传热系数K2：

六种工况总传热系数的数值计算结果和由经验公式计算结果的比较如图3所示，从图3中可以看出，光管套管换热器的总传热系数的数值计算结果与经验公式非常吻合，最大误差

为8．77 ，因此运用FI UENT软件，采用二维轴对称方法对光管套管换热器进行数值模拟完全能满足工程要求，为进一步应用数值模拟方法研究强化换热管的整体换热性能提供了保障，克服了以往的数值计算中只考虑对管内换热性能的研究而忽略强化传热管对管外流体流动和换热的影响。

3.2 波纹管套管换热器

用FIUENT软件对长2m、结构尺寸如图2所示的波纹管代替光管的套管换热器进行了数值模拟，FIUEN中的各项设置、模拟工况以及数据处理方法与模拟光管时相同，在各工况下波纹管套管换热器的总传热系数Kc与光管套管换热器的总传热系数Ks的比值Kc／Ks如图4所示。

从图4中可以看出，对于同样尺寸的波纹管在小雷诺数时，对换热的强化比较显著，如在Re=1×104时，相对与光管，波纹管套管换热器的总传热系数提高了120%，但随着雷诺数的增大，对总传热系数的影响逐渐减小，如当Re≥6×104后，波纹管对总传热系数的提高不超过30%，并趋于稳定。

图5是Re=20 000时，x=1m处波纹管套管换热器管内和管外流体流动的流线图，从图5可以看出，波纹管同时影响管内和管外流体的流动，在管内和管外同时形成漩涡，从而使换热得到强化。

4 结论

运用FLUENT软件，采用二维轴对称方法和标准K一ε湍流模型对湍流情况下2m长的光管和波纹管套管换热器的对流换热情况进行了数值模拟，并在近壁面选择强化壁面处理方式。数值计算结果表明：光管套管换热器的总传热系数K 的数值计算结果与经验公式计算