基于Fluent螺旋槽管沸腾换热的数值模拟

基于Fluent螺旋槽管沸腾换热的数值模拟
陈志静
【摘要】基于FLUENT软件对制冷剂R134a在水平螺旋槽管管外沸腾换热进行了三维数值模拟，得到了其饱和泡状沸腾过程中体积含汽率的分布规律和换热系数，并和光管进行了比较。

结果表明螺旋槽管外侧能够很好地强化沸腾传热。

此外，还通过改变边界条件分析了质量流量、热流密度的变化对螺旋管管外沸腾换热系数的影响。

%Numerically simulate based on FLUENT software for boiling heat transfer of refrigerant R134a which flowed outside borizontal spiral tube is carried out in this article to obtain regularities of volumetric steam quality distribution during saturation proce
【期刊名称】《广东石油化工学院学报》
【年(卷),期】2011(021)004
【总页数】4页(P31-33,40)
【关键词】FLUENT;螺旋槽管;沸腾换热;数值模拟
【作者】陈志静
【作者单位】广东石油化工学院机电工程学院,广东茂名525000
【正文语种】中文
【中图分类】TK124
0 引言
流动沸腾换热是制冷以及其它许多工业设备中非常重要的换热过程,工质与设备间
的换热性能直接关系到设备的经济性、运行的安全性以及可靠性。

水平流动沸腾换热的流型变化过程与垂直受热流动流型大致相同,由于受重力作用,导致气相分布不
对称。

在环状流区,顶部会出现逐渐扩大的干涸区,这将影响其换热性能。

若沸腾发
生在水平管道外,出现干涸区的机率将降低,有利于沸腾换热系数的提高。

另外,本文研究的螺纹槽管[1]因其在传热性能上明显优于光管,且具有结构紧凑和加工制作方便等优点,在动力、能源、化工、核反应堆等场合中的换热设备中得到了
广泛应用。

因此,本文应用FLUENT软件对制冷剂R134a在螺旋槽管水平管外沸腾换热进行数值模拟,研究螺旋槽管外沸腾强化换热性能。

图1 螺纹槽管结构图
1 计算模型及边界条件
1.1 螺旋槽管几何结构
图1为螺旋槽管管外沸腾模拟结构图,螺旋槽管强化换热在两侧都可进行,当制冷剂
R134a在水平管内沸腾时,由于重力的作用,其上部容易出现逐渐扩大的干涸区,这将降低换热效率。

因此本文选择在螺旋槽的外侧进行沸腾模拟,也就是管外换热,模拟
的模型是一个环行区域。

图2 螺旋槽管网格划分
1.2 模型网格划分及边界条件设置
模拟计算时,热量是从内壁面传入,所以内壁面附近的区域是研究重点[2],网格须细划。

但是螺旋槽管结构不整齐,在划分网格时,很难控制其边界层处的比例变化。

此问题
可用FLUENT网格自适应功能来解决,如图2所示。

先用三维建模软件Pro/E建立三维模型,再对其对称面进行网格划分,采用结构化网格,然后划分体网格,将划分好的网格导入到FLUENT进行初步计算,并在此计算的结果上以温度场为基准进行网格
自适应,从而达到细化内壁面处网格的目的。

边界条件的设置:入口为速度入口,出口
为压力出口,内壁面为恒热流密度,外壁面设为绝热。

2 模拟计算结果分析
流动边界条件:入口速度v=0.35m/s,液体入口温度T=283.15K,出口压力P=0.416 880MPa,饱和温度T饱和=283.15K,内壁面热流密度等于10kw/m2,外壁面绝热。

R134a汽液热力性质参照文献[3]。

2.1 含汽率分布
图3为光管对称面上体积含汽率的分布图。

由图可知,沿着流动方向,由于加热作用,壁面温度迅速上升,当达到沸腾所需的过热度时,便开始产生汽泡。

随后截面含汽率迅速增大,这是因为此时壁温升高较快,使得活性汽穴率迅速增大,产生的汽泡迅速增多。

当生成的汽体较多,由于重力的作用大部分集中在环行空间的上部[4]。

图4为螺旋槽管对称面上体积含汽率的分布图,由于凹槽的存在,其含汽率分布比光管的均匀。

前半段体积含汽率较小,对称上下面的体积含汽率分布大致相同,随着热量吸收,后半段含汽率增加,虽然汽相更多的分布在环行空间的上部,但由于螺旋槽管凹槽的作用,使得这一特点不大明显。

图3 光管对称面上体积含汽率分布
图4 螺旋槽管对称面上体积含汽率分布
图5和图6分别为光管和螺旋槽管中出口截面上的含汽率分布图。

对比可知,横纹管含汽率分布的更均匀,由于其结构上存在凹槽,使得流体流过时产生一个径向速度,破坏了其速度边界层,使生成的蒸汽更快的流向主流区,从而起到强化沸腾换热的效果。

随着热量的吸收,出口截面含汽率比中截面要大,同时由于重力的作用,汽相主要分布在截面上部,液相则集中在下部,这一特征在图5中尤为明显。

图5 光管出口截面上含汽率分布图
图6 螺旋槽管出口截面上含汽率分布图
2.2 传热膜系数模拟结果
为了更好的分析制冷剂R134a在螺旋槽管水平管外沸腾换热的情况,本文通过改变边界条件模拟了不同流速和热流密度下的沸腾换热情况,并分析了流速和热流密度对沸腾换热系数的影响。

图7给出了光管和螺旋槽管在热流密度q为10 kw/m2时,质量流量G对沸腾换热系数h的影响。

从图中可以看出,在一定的热流密度下,随着质量流量的增加,光管和螺旋槽管的沸腾换热系数都随之增加,其原因主要是质量流量增加,流速加大,汽泡沿壁面滑移较快,较易脱离壁面。

图8给出了光管和螺旋槽管在质量流量G为394.5kg/(m2·s)时,热流密度q对沸腾换热系数h的影响。

从图中可以看出,在同一质量流量下,随热流密度增加,光管和螺旋槽管的沸腾换热系数都随之增加,这主要由于热流密度的增加,促使壁面过热度提高,产生气泡数目增加,加剧气泡对流体的扰动,使得流动边界层和热边界层变薄,从而起到强化沸腾传热作用。

模拟结果和文献[5]的实验结果一致。

图7 沸腾换热系数与流速的关系图
图8 沸腾换热系数与热流密度的关系图
从图7和图8可以看出,螺旋槽管管外沸腾换热要优于光管。

流体经过螺旋槽管的凹槽时,管壁上形成轴向漩涡,增加了流体边界层的扰动,促使边界层表面更新加剧,有利于使热量通过边界层进行传递,当涡流将要消失时,流体又经过下一个圆形凹槽,所以能保持不断地生成轴向漩涡,这就保证了连续稳定的强化换热作用。

下面从强化管的结构肋形方面分析螺旋槽管的强化作用。

2.3 螺旋槽管肋形对传热性能的影响[5]
许多研究结果表明,在促进边界面湍流强度方面,主要考虑的问题是流体在产生边界层分离流之后持续的时间,从而决定肋间距的大小。

螺纹管的传热面积扩展较大,相对肋间距为1～3之间比较合理。

本文螺旋槽管的相对肋间距为2.67,符合上述条件。

螺旋槽管的扩展传热面积得到很大提高,从而使螺纹管的总体传热性能得到加
强。

由图8可知,随着介质流速的增大,相对于光管,螺旋槽管对流体的扰动加强,从而传热性能加强。

3 结论
(1)制冷剂R134a在水平光管管外饱和泡状沸腾过程中,沿流动方向,汽泡数量逐渐增加,体积含汽率逐渐增大。

从而产生汽泡看,内壁面处汽泡最多,汽泡从壁面产生,逐渐脱离进入主流。

由于重力的作用,气体大部分分布在上面。

当制冷剂R134a在螺旋槽管水平管外沸腾时,由于螺旋槽管凹槽的作用,使其产生一个较大的径向速度,使得体积含汽率分布更均匀。

(2)在相同的条件下螺旋槽管水平管外沸腾系数比光管的大,在相同的热流密度下,随着质量流量的增加,螺旋槽管和光管水平管外的沸腾换热系数随之增加。

当质量流量不变时,其换热系数随着热流密度的增大而增大。

另外,螺旋槽管的相对肋间距为2.67,螺旋槽管的扩展传热面积得到很大提高,从而使螺纹管的总体传热性能得到加强。

[参考文献]
[1]Chen Y ing,Deng Xian he,Wang YangJun.Numerical analysis of synergy relation between heat flux with velocityfield of turbulence flow on coarse wall[J].Journal of Chemical Industry and
Engineering(China),2003,54(8):1055-1058.
[2]Xu J L,Wong T N,Huang X Y.Two-fluid modeling for low-pressure sub-cooled flow boiling[J].International soural of Heat and Mass
Transfer,2006(49):377-386.
[3]朱明善,韩礼钟.绿色环保制冷剂HFC-134a热物理性质[M].北京:科学出版
社,1995.
[4]熊少武,罗小平,黄岗.水平管外沸腾强化换热的数值模拟与场协同分析[J].制冷与
空调,2008(1):19-23.
[5]罗小平,邓先和,邓颂九.夹套间强化管传热性能比较[J].华南理工大学学报:自然科学版,1997,25(5):26-30.。