等热流条件下螺旋管换热特性的数值研究 郭小勇.docVIP

中国工程热物理学会 传质传热学 学术会议论文 编号:113256 等热流条件下螺旋管换热特性的数值研究 郭小勇1,2，宋克伟1,2，赵创要1,2，王良璧1,2 （兰州交通大学，， 兰州 730070） 下本文对螺旋管中充分发展的层流的进行了数值分析，定义了二次流强度的无量纲化参数二次流强度，得到了阻力系数、二次流强度的关系发现二次流强这表明迪恩数的另一物理意义是螺旋管中二次流强度次流螺旋管在许多工程应用中提供了一种既简洁有效的提高传热效率的方法，在各种散热器、加热和冷却系统、化工工程、肾透析装置、蒸馏过程、食品工程等工程领域有非常广泛的应用价值[1-4]。通过螺旋管的流体在壁面摩擦阻力和轴向压力、惯性离心力的共同作用下，在螺旋管中产生了二次流，使得螺旋管有着比直管更强的传输能力。Dean[5]从理论的角度在圆环管道的流动研究中预测了这一流动特性。Nicholeson[6]等首先使用螺旋坐标系研究了螺旋管的流动特性，发现横截面中心的流体要向外侧偏移。Sebab[7]利用厚度为0.012in的321型不锈钢螺旋管，以重油为介质，在等热流边界条件下进行了试验研究，发现在较低的雷诺数下螺旋管比直管有较高的换热系数，Mori[8]等用实验和边界层的方法研究了曲线管道的流动并得出了平均阻力系数与平均努塞尔数和迪恩数关系的经验公式， Kubair[9] 在等壁温条件下利用试验研究了甘油的水溶液，修正了螺旋管中层流条件下前人的研究结果, Dravid [10]等在小曲率和大迪恩数下做了试验和数值分析，说明由于二次流的存在使得热边界层变薄，在入口段和充分发展段强化传热因子都在增大、螺旋管在强化传热方面要优于直管。Lin[11]等对螺旋管中的发展段 和充分发段进行了研究。Zheng[12]等对螺旋管中的强迫对流和辐射的进了研究。Ko[13]在等热流边界条件下对螺旋管中的熵产进行了研究。 上述研究现状表明：二次流使热量的传输得到强化，但并未研究二次流对传热的单独贡献。本文主要目的是研究二次流对等热流边界条件下、充分发展的层流对流换热的贡献。为了实现这一目标，本文选取多个管径的几何模型、以水(Pr=2.21)为介质，分析随着迪恩数的增大螺旋管中二次流强度的变化及迪恩数与阻力系数、二次流强度无量纲数与平均努塞尔数之间的关系。图1是螺旋管三维示意图，（Rsinθ,Rcosθ,bθ）R为螺旋管的曲率半径，a为螺旋管横截面半径，2πb为螺距无量纲曲率和挠率定义为： (1) 基金项目：国家自然科学基金项目(No. 图1螺旋管中的几何示意图 为了便于分析，对实际模型进行一些必要的简化：物性参数为常数，壁面为无滑移条件，流动处于充分发展的层流状态，进出口为周期性充分发展边界条件，忽略体积力和黏性耗散。基于以上简化，可以在三维笛卡尔正交坐标系中写出计算区域中张量形式的控制方程,(i,j 为爱因斯坦求和符号，i为自由指标, j为哑指标，i,j=1,2,3)：连续性方程： (2) 动量方程: (3) 能量方程： (4) 速度进出口边界条件(in、out分别表示进出口)： 壁面速度边界条件(wall表示壁面)： 壁面热流密度边界条件： 无量纲过余温度定义为： 进出口温度边界条件： 截面平均温度： 平均努塞尔数： (5) Re数定义： Dn数定义： (6) 无量纲阻力系数定义为： (7) 涡量的定义式： (8) 螺旋管横截面的二次流用绝对值的平均来描述： (9) 对()式进行无量纲化无量纲数数： (10) 2控制方程的离散和计算方法 选取两个周期的长度进行数值计算，横截面采用双边界法生成网格，笛卡尔直角坐标系中的物理区