基于场协同的耗散的换热管强化传热机理的CFD分析

摘要

随着全球能源危机的日益加剧，如何节约能源备受当代社会关注。由于换热设备在工业生产中的普遍应用，所以提高换热器效率，研究强化换热的新技术则成为了研究的热点和新课题。被动强化技术因为其无需额外的能耗而被工业上广泛应用。被动强化传热方法通常通过改变管道的表面几何形状或者在管道内部插入扰流物以达到强化传热的效果。本文以水为流动介质，采用CFD技术对圆管、椭圆直管、扭曲椭圆管、内置扭带圆管、内置格栅扭带圆管在层流状态下进行数值模拟，将各个管道进行热力学对比分析，并将场协同原理以及耗散理论应用于各换热管的优化设计，对其进行传热强化方面的理论分析，探究其强化传热机理，为工业应用提供理论基础。 数值模拟结果表明：（1）随着椭圆直管以及扭曲椭圆管截面短长轴之比b/a值变小，Nu越大即越有利于传热，同时f也将增大即加大了流阻损失；随着管道扁度的增加，管道内流体的速度与温度梯度的平均协同角相应减小，速度与压降梯度的平均协同角相应增大，耗散值相应减小，即随着管道扁度的增加管道的传热效果相应提高；（2）扭曲椭圆管的管道长度一定时，管道扭曲角度越大，Nu与f均相应增大，流体速度场与温度梯度场的整体协同程度则趋于优化，相反流体速度场与压降梯度场的整体协同程度趋于恶化，耗散值随着扭曲角度的增加而减小，从而随着管道扭曲角度的增大，管道的强化传热效果趋向优化；（3）在内置扭带圆管中，Nu以及f均随着δ（扭带宽度h与管道当量直径d之比）值的增大而增大，流体速度场与温度梯度场的平均协同角随着δ值的增加而减小，同时速度场与压降梯度场的平均协同角却随着δ值的增加而增大，耗散值随着δ值的增加而减小，随着δ值的增大，管道的强化传热效果逐渐优化；（4）内置扭带圆管中，扭带扭曲角度的逐渐增大伴随着Nu以及f的逐渐增大、流体速度场与温度梯度场的平均协同角的逐渐减小、速度场与压降梯度场的平均协同角的逐渐增大以及耗散值的减小；（5）扭带的开孔率直接影响到内置格栅扭带圆管的综合强化换热效果，随着扭带开孔率的增加，Nu呈现先增大后减小的趋势，而f呈现逐渐减小的趋势，管内流体的速度场与温度梯度场的协同程度呈现先优化后恶化的趋势，而速度场与压降梯度场的协同程度逐渐优化，同时耗散值呈现先减小后增大的趋势，从而存在一个使强化传热效果最优的最佳开孔率。