水-油换热器管道流动优化数值模拟

题 目 学生姓名 水-油换热器管道流动优化数值模拟 学号 专业班级 设计要求： 一、采用理论分析和CFD数值模拟方法对水-油管道流动进行优化数值模拟工作。对不同形式的管道流动的流动状态以及传热特性进行分析对比从而达到优化设计的目的。 设计（论文）内容及基本要求 二、内容要求： 1.阅读收集技术文献资料（其中期刊、会议论文不少于6篇）， 理解设计任务，按学校有关要求完成开题报告一份（前4周完 成），包括本课题研究意义、国内外研究现状、研究内容及方法、详细的阶段进度时间计划等内容； 2.翻译相关外文资料一篇，原文不少于15000个印刷符号； 3.熟悉并熟练掌握FLUENT数值模拟软件，并对换热器凹槽管管道和波纹管管道的换热进行数值仿真分析； 4.完成设计说明书一份（30页左右）； 5.绘制有关技术图纸,图幅合计1张图纸0#； 6.所有正式文件均用A4纸张打印； 7.提交内容一致的电子文档和纸质文档各一份； 设计（论文）起止时间 设计（论文）地点 指导教师签名 系（教研室）主任签名 学生签名

20 年 月 日 至 20 年 月 日 年 月 日 年 月 日 年 月 日

水-油换热器管道流动优化数值模拟

摘 要:以水作为流动介质，应用三维常物性不可压缩流体稳态湍流流动模型，对凹

槽管，波纹管内的流动及传热性能进行了数值模拟研究，并与光滑圆管进行了对比。针对波纹管和凹槽管管内流体流动的特点，波纹管采用RNGκ-ε湍流模型，凹槽管用标准流模型，对等壁温边界条件下管内流体三维流动进行数值模拟。本文研究了流速分别为0.5m/s、0.8 m/s、1.0m/s 、1.2 m/s时，在管径16mm，管长1800mm的波纹管中的流动及传热特性。同时，本文对入口雷诺数分别为6000、12000、18000、24000的低温流体流过较高壁温的凹槽管时的流动换热特性进行了数值模拟分析。经过模拟计算得出了流动与换热进入充分发展阶段时的不同截面处的温度、速度、湍流动能分布云图。模拟结果表明对于所选结构的波纹管和凹槽管，换热量随水流速度的增加而增大，同时湍流强化传热效应增强，凹槽管、波纹管均比相同管径的光管综合换热性能强。

关键词：强化传热；凹槽管；波纹管；数值模拟；传热特性

Numerical Simulation for Flow Optimization of Water Oil Heat

Exchanger Pipes

Abstract: The fluid flow characteristics and heat transfer performance in fluted tube

and corrugated tubes were numerically investigated and compared with smooth tube. It is three—dimensional steady incompressible turbulence flow and water as the working medium．Due to the special characteristics of flow field, corrugated tubes was performed by using the RNG k –ε turbulence model and fluted tube was performed by using the standard k-ε turbulence model for the wall temperature is constant in the tubes. The characteristics of turbulent flow and heat transfer in corrugated tubes of the diameter 16mm and the length 18000mm were studied in different condition of the velocity of flow at 0.5m/s, 0.8 m/s, 1.0m/s,1.2 m/s. At the same time, the cases which the fluid in different Reynolds number of 6000,12000,18000,24000 flows over fluted tube with higher wall temperature were simulated. The temperature, velocity distribution, pressure, turbulence intensity at different sections for fully developed fluid were obtained, which were compared with the results of smooth tubes. The numerical results showed that the quantity of heat transfer increased with the risen of the velocity, and turbulent enhanced as the heat transfer strengthened. It was found that the corrugated tubes and fluted tube can significantly enhance the heat transfer under the same diameter condition.

Keywords: corrugated tubes; fluted tube ;Heat transfer enhancement; Numerical

simulation; Heat transfer

目录

第1章 绪论 ............................................................................................................... 1

1.1 课题研究的背景及意义 ................................................................................................... 1 1.2 换热器分类 ....................................................................................................................... 1 1.3 换热器研究与发展 ........................................................................................................... 2

1.3.1 换热器发展历史 .................................................................................................... 2 1.3.2 换热器研究及发展动向 ........................................................................................ 3 1.3.3 国外新型换热器技术走向 .................................................................................... 4 1.4 强化传热技术 ................................................................................................................... 7

1.4.1 强化传热技术研究进展 ........................................................................................ 7 1.4.2 强化传热技术分类 ................................................................................................ 7 1.4.3 强化传热的途径 .................................................................................................... 8 1.4.4 强化传热理论 ........................................................................................................ 9 1.4.5 强化传热技术评价准则 ...................................................................................... 10

第2章 流体力学基础和数值模拟简介 ................................................................. 11

2.1 流体力学基础 ................................................................................................................. 11

2.1.1 流体的基本性质 .................................................................................................. 11 2.1.2 流体运动的基本概念 .......................................................................................... 12 2.2 数值模拟计算方法 ......................................................................................................... 13

2.2.1 FLUENT 简介 .................................................................................................... 13 2.2.2 数值模拟思想与理论 .......................................................................................... 14 2.2.3 流动与传热问题的控制方程 .............................................................................. 15 2.2.4 湍流模型 .............................................................................................................. 16 2.2.5 SIMPLE算法 ...................................................................................................... 16

第3章 基于Fluent的换热器管道流场模拟 ......................................................... 17

3.1 强化换热凹槽管内流动与传热数值模拟 ..................................................................... 17

3.1.1 问题概述 .............................................................................................................. 17 3.1.2 Fluent的计算步骤 .............................................................................................. 17 3.1.3 凹槽管与光滑圆管模拟结果对比分析 .............................................................. 19 3.1.4 强化传热特性分析 .............................................................................................. 23 3.1.5 阻力特性 .............................................................................................................. 25 3.2 强化换热波纹管内流动与传热数值模拟 ..................................................................... 26

3.2.1 数值模型 .............................................................................................................. 26 3.2.2 模拟结果对比及分析 .......................................................................................... 29 3.2.3 强化传热特性分析 .............................................................................................. 33

I

第4章 结论 ............................................................................................................. 36 参考文献 ..................................................................................................................... 37 致谢 ............................................................................................................................. 38

II

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

工业社会的发展，离不开能源储备的有力支撑。众所周知，当今人类社会面临三大世界性的难题:1、能源危机;2、人口激增;3、环境污染。作为发展中国家的一员，当前摆在我国面前的能源问题非常严峻。虽然我国能源储备比较丰富，能源种类也比较多，但是由于人口基数大，使得我国的人均能源占有率非常低。近年来政府大力倡导节能减排，虽然取得了不错的成绩，但是离真正解决能源危机还有很长的一段路要走。

当前，缓解能源危机主要有两大途径:1、减少对不可再生资源使用的依赖性，不断开发和研究新的可再生资源，如太阳能、风能、化学能、生物能等等;2、改善能源的使用情况，积极研究开发相关能源的节能减排手段和技术，提高能源的使用效率。

换热器是一种十分重要的热量交换设备，它是一种在不同温度的多种介质之间实现热量传递的节能设备。它可以用低温介质冷却高温介质从而达到降温、预冷的效果，也可以用高温介质加热低温介质，使其温度达到工艺流程的规定标准从而达到生产的需要。而换热器是化工、石油、钢铁、汽车、环保、食品及其他许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。在化工行业通常占工艺设备总投资的10%~20%，在炼油行业中则可能占到35%~40%。因而决定了换热器在工业社会占有举足轻重的地位，这些行业的发展都将为换热器行业提供更加广阔的发展空间。我们知道如今国内市场需求呈现以下特点：对产品质量水平提出了更高的要求，要求产品性价比提高；对产品的个性化、多样化的需求趋势强烈。所以为了满足以上要求以及工艺条件，我们必须对换热器进行优化设计。

1.2 换热器分类

换热器作为传热设备随处可见，在工业中应用非常普遍，特别是耗能量十分大的领域。随着节能技术的飞速发展，换热器的种类开发越来越多。适用于不同介质、不同工况、不同温度、不同压力的换热器结构和形式亦不相同，换热器种类随新型，高效换热器的开发不断更新，具体分类如下。

(1)冷、热流体热量交换的原理和方式。基本上可分三大类：间壁式、混合式和蓄热式。间壁式换热器是温度不同的两种流体在被壁面分开的空间里流动，通过壁面的导热和流体在壁表面对流进行换热。间壁式换热器根据传热面的结构不同可分为管式、板面式和其他型式。管式换热器以管子表面作为传热面，包括蛇管式换热器、套管式换热器和管壳式换热器等；板面式换热器以板面作为传热面，包括板式换热器、螺旋板换热器、板翅式换热器、板壳式换热器和伞板换热器等；其他型式换热器是为满足某些特殊要求而设计的换热器，如刮面式换热器、转盘式换热器和空气冷却器等。

1

混合式换热器是通过冷、热流体的直接接触、混合进行热量交换的换热器，又称接触式换热器。由于两流体混合换热后必须及时分离，这类换热器适合于气、液两流体之间的换热。例如，化工厂和发电厂所用的凉水塔中，热水由上往下喷淋，而冷空气自下而上吸入，在填充物的水膜表面或飞沫及水滴表面，热水和冷空气相互接触进行换热，热水被冷却，冷空气被加热，然后依靠两流体本身的密度差得以及时分离。

在蓄热式换热器中，冷热两种流体依次交替地流过同一换热表面而实现热量交换，固体表面除了换热以外还起到蓄热的作用：高温流体经过时，固体避免吸收并积蓄热量，然后释放给接着流过的低温流体。这种换热器的热量传递过程是非稳态的。三种类型中，间壁式换热器应用最为广泛。

(2)表面的紧凑程度。换热器还可以按照表面的紧凑程度而区分为紧凑式换热器（compact heat exchanger）与非紧凑式换热器(non-compact heat exchanger)。紧凑的程度可以用水力直径（dh ，hydraulic diameter，也称当量直径，流动界面积的4倍除以湿周长）来区别，或者用每立方米中的传热面积来衡量：当>700m2或者dh <6mm时，称为紧凑式换热器。当>3000m2或者10015000m2或者1001.3 换热器研究与发展

1.3.1 换热器发展历史

20世纪20年代出现板式换热器，并应用于食品工业。以板代管制成的换热器，结构紧凑，传热效果好，因此陆续发展为多种形式。30年代初，瑞典首次制成螺旋板换热器。接着英国用钎焊法制造出一种由铜及其合金式换热器，用于纸浆工厂。在此期间，为了解决强腐蚀性介质的换热问材料制成的板翅式换热器，用于飞机发动机的散热。30年代末，瑞典又制造出第一台板壳题，人们对新型材料制成的换热器开始注意。60年代左右，由于空间技术和尖端科学的迅速发展，迫切需要各种高效能紧凑型的换热器，再加上冲压、钎焊和密封等技术的发展，换热器制造工艺得到进一步完善，从而推动了紧凑型板面式换热器的蓬勃发展和广泛应用。此外，自60年代开始，为了适应高温和高压条件下的换热和节能的需要，典型的管壳式换热器也得到了进一步的发展。70年代中期，为了强化传热，在研究和发展热管的基础上又创制出热管式换热器。20世纪80年代以来，换热器技术飞速发展，带来了能源利用率的提高。各种新型高效换热器的相继开发与应用带来了巨大的社会经济效益，市场经济的发展，私有化比例的加大，降低成本已成为企业追求的最终目标。因而节能设备的研究与开发备受瞩目。能源的日趋紧张，全球气温的不断升高，环境保护要求的提高给换热器及空冷式换热器及高温，高压换热器迎来了日益广阔的应用前景。

2

1.3.2 换热器研究及发展动向

（1）物性模拟研究:换热器传热与流体流动计算的准确性，取决于物性模拟的准确性。因此，物性模拟一直为传热界重点研究课题之一，特别是两相流物性的模拟，这恰恰是与实际工况差别的体现。实验室模拟实际工况很复杂，准确性主要体现与实际工况的差别。纯组分介质的物性数据基本上准确，但油气组成物的数据就与实际工况相差较大，特别是带有固体颗粒的流体模拟更复杂。为此，要求物性模拟在试验手段上更加先进，测试的准确率更高。从而使换热器计算更精确，材料更节省。物性模拟将代表换热器的经济技术水平。

（2）分析设计的研究:分析设计是近代发展的一门新兴科学，美国ANSYS软件技术一直处于国际领先技术，通过分析设计可以得到流体的流动分布场，也可以将温度场模拟出来，这无疑给流路分析法技术带来发展，同时也给常规强度计算带来更准确，更便捷的手段。在超常规强度计算中，可模拟出应力的分布图，使常规方法无法得到的计算结果能方便、便捷、准确地得到，使换热器更加安全可靠。这一技术随着计算机应用的发展，将带来技术水平的飞跃。将会逐步取代强度试验，摆脱实验室繁重的劳动强度。

（3）大型化及能耗研究:换热器将随着装置的大型化而大型化，直径将超过5m，传热面积将达到单位10000 m，紧凑型换热器将越来越受欢迎。板壳式换热器，折流杆换热器，板翅式换热器，板式空冷器将得到发展，振动损失将逐步克服，高温，高压，安全，可靠的换热器结构朝着结构简单，制造方便，重量轻发展。随着全球水资源的紧张，循环水将被新的冷却介质取代，循环将被新型，高效的空冷器所取代。保温绝热技术发展，热量损失将减少到目前的50％一下。

（4）强化技术研究:各种新型，高效换热器将逐步取代现有常规产品。电场动力效应强化换热技术，添加物强化沸腾传热技术，通入惰性气体强化传热技术，添加物强化沸腾传热技术，微生物传热技术，磁场动力传热技术将会在新的世纪得到研究和发展。同心管换热器、高温喷流式换热器、印刷线路板换热器、穿孔板换热器、微尺度换热器、微通道换热器、硫化床换热器、新能源换热器将在工业领域及其它领域得到研究和应用。

（5）新材料研究:材料将朝着强度高，制造工艺简单，防腐效果好，重量轻的方向发展。随着稀有金属价格的下降，钛、钽、锆等稀有金属使用量将扩大，钢材料将实现不预热和后热的方向发展。

（6）控制结垢及腐蚀的研究，国内污垢数据基本上是20世纪60～70年代从国外照搬而来。四十年来，污垢研究技术发展缓慢。随着节能，增效要求的提高，污垢研究将会受到国家的重视和投入。通过对污垢形成的机理，生长速度，影响因素的研究，预测污垢曲线，从而控制结垢，这对传热效率的提高将带来重大的突破。保证装置低能耗，长周期的运行，超声防垢技术将得到大力发展。腐蚀技术的研究将会有所突破，

3

低成本的防腐涂层特别是金属防腐镀层技术将得到发展，电化学防腐技术将成为主导。

1.3.3 国外新型换热器技术走向 (1)螺旋折流板换热器

螺旋折流板换热器（图1-1）是最新发展起来的一种管壳式换热器 ,是由美国 ABB 公司提出的。其基本原理为:将圆截面的特制板安装在‖拟螺旋折流系统‖中 ,每块折流板占换热器壳程中横剖面的四分之一 ,其倾角朝向换热器的轴线 ,即与换热器轴线保持一定倾斜度。相邻折流板的周边相接 ,与外圆处成连续螺旋状。每个折流板与壳程流体的流动方向成一定的角度 ,使壳程流体做螺旋运动 ,能减少管板与壳体之间易结垢的死角 ,从而提高了换热效率。在气一水换热的情况下 ,传递相同热量时 ,该换热器可减少30 %～40 %的传热面积 ,节省材料 20 %～30 %。相对于弓形折流板 ,螺旋折流板消除了弓形折流板的返混现象、卡门涡街 ,从而提高有效传热温差 ,防止流动诱导振动;在相同流速时 ,壳程流动压降小;基本不存在震动与传热死区 ,不易结垢。对于低雷诺数下(Re< 1 000)的传热 ,螺旋折流板效果更为突出。

图1-1螺旋折流板换热器

(2)折流杆式换热器

图1-2 折流杆式换热器 示意图

20 世纪 70 年代初 ,美国菲利浦公司为了解决天然气流动振动问题 ,将管壳式换热器中的折流板改成杆式支撑结构 ,开发出折流杆换热器。研究表明 ,这种换热器（图1-2）不但能防振 ,而且传热系数高。现在此种换热器广泛应用于单相沸腾和冷凝的各种工况。在后来出现了一种外导流筒折流杆换热器 ,此种换热器能最大限度地消除管壳式换热器挡板的传热不活跃区 ,增加了单位体积设备的有效传热面积。目前 ,所有

4

的浮头式换热器均采用了外导流筒。近些年 ,又出现了直扁钢条支撑方式和波浪型扁钢支撑结构等新型支撑结构的折流杆换热器 。这些新结构除了增加有效换热面积外 ,更主要的是提高了对管子震动的抑制作用。 (3) 空心环管壳式换热器

空心环管壳式换热器（图1-3）是华南理工大学于发明的一种新型管壳式换热器。空心环是由直径较小的钢管截成短节 ,均匀地分布于换热管管间的同一截面上 ,呈线性接触 ,在紧固装置螺栓力的作用下 ,使管束相对紧密固定。从而支撑管束并促进流体扰动。空心环支撑往往与强化管组合使用 。其特点是：

1) 壳程流阻低。壳程轴向流道空隙率达80 %的空心环管间支承物对纵向流体的形体

阻力几乎可以忽略。

2) 传热膜系数高。该种结构的换热器可充分发挥粗糙型强化传热管的强化传热性

能 ,利用传热管的周向粗糙肋 ,促进纵向流体在传热界面上滞流层的湍流度,获得比普通光滑管界面高 80 %～100 %的传热膜系数

图1-3 空心环管式换热器 示意图

(4)管子自支承式换热器

近年来 ,人们将壳程强化传热的两种主要途径综合起来考虑 ,利用管子形状的变化来达到相互支撑和强化传热双重功能。目前主要有剌孔膜片式、螺旋扁管式和变截面管式几种形式。

剌孔膜片式的特点是刺孔膜片既是支撑元件 ,又是管壁的延伸 ,增大了单位体积内的有效传热面积；膜片上的毛刺和小孔增大了流体湍流度 ,各区间的流体经小孔实现一定程度的混合；刺和孔使换热表面的边界层不断更新 ,减薄了层流底层厚度 ,从而提高了换热系数;壳程流体纵向流动 ,压力降很小。

螺旋扁管是瑞典 ALLARES公司推出的一种高效换热元件，螺旋扁管的结构特点是管子换热段的任一截面均为一长圆 ,当组装成换热器时可以混合管束 ,也可以是纯螺旋扁管。螺旋扁管的截面类似于椭圆管 ,椭圆的长短轴比值根据换热管程和壳程的流速设计确定 ,当管程流量较低时 ,可增大长、短轴之比值。减少流通截面以提高流速 ,使换热器两侧处于较理想的流动状态。

变截面管式（图1-4）是把普通圆管按一定节距压制出互成90度或互成60度的扁圆形截面 ,利用这种变截面管互相支撑并构成扰流元件。这种换热器管子排列紧

5

凑 ,减少了换热器的尺寸和质量 ,而且可实现管束间流体薄层流动。其结构比较简单 ,且是双面强化管 ,但最大弱点是管内阻力太大。

图1-4变截面管 示意图

(5)纵流管束换热器

流体在壳程中作纵向流动是管壳式换热器中最理想的流动形式。为了将弓形折流板支撑的横向流动尽可能地改为平行于管子的纵向流动 ，消除滞留死区 。近年来开发出了一些新型结构，例如矩形孔、梅花孔等异形孔的折流板结构。这种折流板既能支承管子 ,又能让传热介质流过折流板 ,产生射流 ,从而消除了管子结垢和垢下腐蚀。后来 ,德国 GRIMMA公司制造的一种网状整圆形折流板换热器 ,传热效果优于传统的圆缺形折流板换热器 ,其结构为在折流板上开横排管孔 ,以 4 个孔为一组将管桥处铣通，壳侧流体在管桥处沿着轴向流动 ,避免了流体因转折引起的滞留区。瑞典的 WELL 和 GEE 提出的针翅管，既能扩大传热面，又可造成流体的强烈扰动 ，极大地强化了传热，而且压降不大 ，可大大节省支承板材料 ，是当前国内外最先进的纵向流换热器。 (6)热管换热器

热管是一种新型高效的传热元件。热管是一个内部抽成真空并充以少量液体的密封管，具有高效的导热性能。在工作时热流体通过热管的一端外表面，冷流体通过热管另一部分。籍助于管内工质的潜热变化而进行冷热流体间的换热。由于是潜热的变化，具有相当高的导热能力 ，其当量导热系数为铜、银等金属导热系数的几百倍。在20世纪60年代首先被应用于宇航技术中，后来在电子、机械、化工和石油等行业也有了广泛的应用。热管换热器在国外已系列化生产。而我国经过 20 多年努力先后开发了气、气热管换热器、热管蒸汽发生器和高温热管 ，并在石油、化工、冶金、动力以及水泥等行业得到了广泛的应用，取得了良好的效果。 （7）新型麻花管换热器

瑞典Alares公司开发了一种扁管换热器，通常称为麻花管换热器。美国休斯顿的布朗公司做了改进。螺旋扁管的制造过程包括了―压扁‖与―热扭‖两个工序。改进后的麻花管换热器同传统的管壳式换热器一样简单，但有许多激动人心的进步，它获得了如下的技术经济效益：改进了传热，减少了结垢，真正的逆流，降低了成本，无振动，节省了空间，无折流元件。由于管子结构独特使管程与壳程同时处于螺旋运动，促进了湍流程度。该换热器总传热系数较常规换热器高40%，而压力降几乎相等。组装换热器时也可采用螺旋扁管与光管混合方式。

6

该换热器严格按照ASME标准制造。凡是用管壳式换热器和传统装置之处均可用此种换热器取代。它能获得普通管壳式换热器和板框式传热设备所获得的最佳值。估计在化工、石油化工行业中具有广阔的应用前景。 （8）非钎焊绕丝筋管螺旋管式换热器

在管子上缠绕金属丝作为筋条(翅片)的螺旋管式换热器(TA)，一般都是采用焊接方法将金属丝固定在管子上。但这种方法对整个设备的质量有一系列的影响，因为钎焊法必将从换热中―扣除‖很大一部分管子和金属丝的表面。更重要的是，由于焊料迅速老化和破碎会造成机器和设备堵塞，随之提前报损。

俄罗斯推荐一种新方法制造绕丝筋管，即借助在管子上缠绕和拉紧金属丝时产生的机械接触来固定筋条。采用此法能促进得到钎焊时的连续特性(即将金属丝可靠地固定在管子上，而管子的截面又不过分压紧)，故对于金属丝仅用做隔断时，可以认为是较钎焊更受欢迎的方法。但若利用金属丝作为筋条(翅片)以增加换热面积时，只有当非钎焊筋条的有效传热面不小于钎焊连接时，才应更偏重于此方法。

试验表明，当金属丝与管子为线性接触时，有效传热面最大，但此时金属丝会沿管子滑动。所以关键是要选取最佳的接触宽度，也就是绕丝时管子变形留下的痕迹的宽度。这样，非钎焊时的有效传热面要比钎焊时大。

1.4 强化传热技术

1.4.1 强化传热技术研究进展

强化传热概括的说就是改善并提高热量传递的速率，尽可能使单位时间内，通过单位面积传递更多的热量，以达到能源节约高效、清洁、安全合理利用的目的。强化传热技术主要是利用强化传热元件，改进现有换热器或者开发新型换热器，以达到节约设备投资与运行成本、优化生产的目的。最初人们只是在相对分散的领域关注的强化传热，直到 20 世纪 70 年代，石油危机爆发，能源合理利用成为各国工业持续发展亟需解决的问题，极大推进了强化传热技术的发展，出现了各种强化技术的应用，20 世纪 90 年代以来，强化传热研究不断向新的领域发展渗透，其深度与广度日益加大，强化传热新理论不断完善和建立，并在理论指导下走向第三代强化传热技术，并取得了不错的社会效益。管壳式换热器使用范围很广，近年来环保、能源高效利用的要求不断提高，生产工艺不断改变，新能源的开发利用，设备大型化发展等都对管壳式换热器提出了新要求，解决这些问题都离不开强化传热技术的应用。管壳式换热器强化传热的主要方法是对其内部元件采用强化传热措施，具体的就是改变支撑使流体的流动状况得到改善，或采用各种强化传热管取代圆管。 1.4.2 强化传热技术分类

强化传热技术应用的目的不尽相同，或为提高传热速率，或为减小设备量和体积，或为降低功率消耗节约运行成本，亦或为了保护设备在安全温度下运行等，所以选用

7

强化传热技术时必须明确目的并熟悉其分类。按照传热方程，强化传热可以粗略的分为三类：增大平均传热温差、增大传热面积、提高传热系数；还可以根据主要的传热过程来分类：导热传热强化、单相对流传热强化、

沸腾或冷凝传热强化、辐射传热强化；美国学者 Bergles 从提高传热系数的角度将强化传热技术分为无源强化技术（被动强化）和有源强化技术（主动强化）[4]，前者是不消耗外部能量达到强化传热的目的，后者是依赖外部能量的输入进行强化传热。此外还有将不同强化传热技术综合使用的复合强化传热技术。 1.4.3 强化传热的途径

在表面式换热器中，单位时间内的换热量Q与冷热流体的温度差（传热温差）T及传热面积F 成正比，即

QKFT （1-1）

其中，比例系数K称为传热系数，它是反映传热强弱的指标。当传热面积F 和传热温差T 固定时，K越大，传热量也就越大。由上式可以看出，增大传热量Q可以通过提高传热系数K、扩大传热面积F和增大传热温差T三种途径来实现，以下分别进行介绍。

① 增大传热温差T的方法有两种。一种方法是提高热流体的温度或降低冷流体的温度。然而在实际工程中，冷热流体的种类及温度常受生产工艺、经济性等因素的制约，不能随意改动。这时可以采用另外一种方法，即通过改变传热面的布置来提高传热温差。由于冷热流体逆向流动时平均温差最大，因此各类换热器一般应尽量采用逆流或接近逆流的流型布置。

② 扩大传热面积F 。增大传热面积是目前最有实效的强化传热途径之一，它并不是简单的通过增大设备体积来扩大传热面积，而是通过改进传热面的结构来增大单位体积内的传热面积。它的优点在于不仅使传热面得到充分扩展，而且还使流体的流动和换热特性得到相应改善，从而使换热器高效而紧凑。常用的形式有翅化面（肋化面）、异形表面、采用小直径管、多孔介质等。

③ 改善传热系数K 。提高换热器的传热系数以增加换热量是强化传热的重要途径，也是当前强化传热研究的重点。换热器中的传热过程都是由热传递的三种基本方式组合而成的复杂过程，反映换热器传热能力的传热系数K 受其传热过程各分过程传热能力的共同影响。在换热器管壁较薄且没有污垢的情况下，换热器稳定运行时的传热系数K 可由下式计算

111 （1-2） Kh1h2式中

-换热器材料导热系数（W/(mK)）

8

h1-热流体与传热外表面之间的换热系数（W/(m2K)） h2-冷流体与传热内表面之间的换热系数(W/(m2K))

-换热器壁厚(m)

由上式可知，要增大K 值，提高传热面两侧的换热系数，选用导热性能良好的材料作换热间壁，并尽可能减薄间壁厚度，避免或减轻污垢积聚等都能起到作用。一般情况下，管子金属材料的导热系数很大，管壁厚度很小，式中/这一项常可略去不计，于是上式可以改写成

111 （1-3） Kh1h2由上式可以看出，当h1和h2的值相差较大时，要增加传热系数可以通过提高管子两侧的对流换热系数实现，尤其是提高换热器换热较差一侧的换热系数，以取得较好的强化换热效果。对于强化单相介质对流换热，可采取以下措施：

1．提高工质流速；

2．使流体横向冲刷管束，消除流体流动时出现的漩涡死滞区；

3．增加流体的扰动和混合、破坏流体边界层或层流底层的发展、改变换热面表面状况等。例如采用粗糙表面（螺纹管、螺旋槽管、波形板），扩展表面（翅片管、内肋管），旋涡发生器（纽带、螺旋线圈、导流叶片），周期性变化对流换热等。 1.4.4 强化传热理论

强化传热理论不仅能使人们对不同强化传热技术的物理本质有统一的认识，还对节能高效的强化技术的开发具指导意义，然而关于强化传热技术的研究，大多具有经验或者半经验的性质，理论研究相对缺少。对流传热的场协同理论的提出从很大程度上改变了这一现状，该理论能对现有的强化传热技术进行深入解释；相比于传统的强化传热技术只能通过不断的实验改进，通过场协同理论可以更容易获得最优的强化传热技术。

速度场与温度场协同是指对流传热中速度场与温度场的配合能使无因次流动当量热源强度提高，使传热得到强化。在研究流动与传热时，场协同这一评价指标的应用已经很普遍，根据相关著作[2]，速度场与温度梯度场的协同性可以用它们的夹角大小来衡量。

UT （1-4）

UTarccos其中U 是速度矢量由Ux、Uy、Uz三个分量构成；T为温度变量，T为相应的温度梯度； 为速度矢量与温度梯度的夹角。很明显，角度越小，U 和T的点积就越大，而点积的增大就意味着Nu数的增大。因此，协同角越小U和T的点积越大，流体与固体表面的对流传热将会得到加强。

9

为了更好的发挥数值计算方法可视化的优点，本文通过用户自定义场函数（Custom field functions ）把协同角转换为角度形式，变化范围为0~90，这样便于可视化观察和分析强化表面处的场协同效果。 场协同数Fc是一个定量描述和比较不同对流传热情况下的速度场和温度场协同程度的标准，其定义为：

FcUTdyNu （1-5） RePr当Fc=1 时，称对流传热的热流场和速度场是完全协同的，即温度场与速度场配合最好。实际中各种对流换热的Fc都很小，甚至比 1 低 1～2 个量级，还存在很大的改进空间。

1.4.5 强化传热技术评价准则

采用强化传热技术过程中，传热增强的同时，流动功耗往往增加的更多，所以人们最关心的问题是采用何种评价准则来判断收益和支出是否匹配，即传热效率的提高与输出功率的支出等效效果如何。在实际中，与普通换热器的传热效果进行对比时，由于使用场合与目的的不同，需要的性能评价标准（PEC）也不相同。 按照强化传热的目的，可以将 PEC 分为三类：（1）在相同的换热功率、压降、流量下，减小换热器的体积；（2）在换热器体积、压力损失、流量相同的情况下，提高换热器的传热效率；（3）在换热器体积、传热效率、流量相同的条件下，减小压力损失。凹槽管是由圆管经过冷轧工艺加工制得，其传热面积与圆管的传热面积相同，所以在评价凹槽管或者波纹管强化传热效果的时候，主要关心的是相比圆管，其传热效率的提高。

最初人们以Nu/Nuo（其中Nu为强化管的努赛尔数，Nuo为圆管的努赛尔数）为对流传热效率的强化指标，但是在实际运行中采用强化管所消耗的泵功率也增加，所以又提出了Nu/Nu0/f/f0这个评价指标（f和f0）分别为强化管和圆管的阻力系数），认为当该比值大于 1 时，强化传热才算有效。这种评价指标显然不是很完善，因为很多情况下阻力系数f要比努赛尔数Nu增加的要快，导致该指标不能正确体现所有强化管的强化效果；Webb在消耗泵功率相同、换热面积相同的条件下提出了以光管作为对比的强化管的性能评价准则，即等泵功评价准则，其表达式为

Nu/Nu0/f/f013,比值大于 1，表明具有强化效果，越大效果越明显，该评价准则能

反映出大多数强化管的强化效果，使用范围较广[3]。

10

第2章 流体力学基础和数值模拟简介

2.1 流体力学基础

2.1.1 流体的基本性质 （1）流体的压缩性

流体的传统定义为:能够流动的物体,按照上述定义,气体和液体均属于流体。流体的体积会随着作用在其上压强的增大而减小,我们将流体的这一特性称为流体的压缩性。通常情况下,我们用压缩系数来度量流体的压缩性。

当所研究流体的密度为一恒定值时,我们将其认定为不可压缩流体,否则以可压缩流体处理。在通常情况下,我们认为液体是不可压缩流体,其体积和密度不随压强的变化而改变。与之相对的是,气体的密度和体积与压强的变化和热力过程有关。 （2）流体的膨胀性

流体的体积会随着温度的升高而增大,我们将流体的这一特性称为流体的膨胀性。通常情况下,我们用膨胀系数来度量流体的膨胀性强弱。一般来说,气体的膨胀系数比较大,液体的膨胀系数比较小,在做相关的简化处理时可以不用考虑液体的膨胀性。

（3）流体的粘性

在做相对运动的两流体层之间的接触面上,存在有一对大小相等方向相反的力,其作用是阻碍两相邻流体层之间的相对运动,我们把流体的这种特性称为流体的粘性,惯性产生的作用力我们将其称之为粘性阻力或内摩擦力。粘性阻力产生的主要原因是由于分子不规则运动产生的动量交换和分子间存在的相互作用力。

当流体的粘性系数比较小,且流体的流动速度也不大时,其产生的粘性阻力相较于系统中存在的其他类型的力(如惯性力)来说是非常小的,往往可以忽略不计,此时,我们可以近似的把流体看成是无黏性的,即无粘流体,也就是我们常说的理想流体;对需要考虑黏性阻力影响的流体,我们将其称为粘性流体。 （4）流体的导热性

当流体内部或流体与其他介质之间存在温差时,根据热力学第二定律,温度高的区域会自发与温度低的区域进行热9交换和传递。热量传热有以下三种基本方式:热传导、热对流以及热辐射。当流体在管内高速流动时,在紧贴壁面的位置会形成层流底层,流体在该区域的流速很低,几乎可以看做为静止不动,所以流体在该区域内的热量传热方式主要是热传导,而层流区以外区域的热量传递方式主要是热对流。单位时间通过单位面积由热传导所传递的热量可以按傅立叶导热定律确定:

T （2-1） qn

11

上式中,n为面积的法线方向;T/n为沿n方向上的温度梯度;为导热系数;负号―-‖表示热量传递方向与温度梯度方向相反。

在通常情况下,流体与固体壁面间的对流换热量可以用下式表示:

qh(T1T2) （2-2）

式中,h为对流换热系数,与流体的物性、流动状态等因素有关,主要通过实验数据得到的经验公式来确定。 2.1.2 流体运动的基本概念 （1）定常流动与非定常流动

在流场区域内的任意空间点上,所研究流场流体质点的所有流动参数,如压强、速度、密度等都不随时间的变化而改变,我们将流体的这种流动状态称为定常流动;反之,若流体质点的部分或所有流动参数均随时间的变化而改变,我们将流体的这种流动状态称为非定常流动。 （2）流线与迹线

我们常用流线和迹线这两个名词来描述所研究流体的流场。流线指的是流体运动过程中某一时刻流场中各流体质点的运动方向所连成的曲线,在该曲线上各流体质点的速度矢量相切于这条曲线;迹线,顾名思义为流体质点的―流动轨迹路线‖,其定义为任何一点流体质点在流场中的运动轨迹,它是所研究流场区域内某一流体质点在一段运动时间内所流过的路径,指的是流体质点在不同运动时刻所处位置的连线。当流体运动状态为定常流动时,流体流动状态与时间无关,流线不随时间的变化而改变,流体质点留着流线方向运动,流体质点的流线与迹线重合;而当流体处于非定常流动状态时,流线与迹线不重合。 （3）层流流动与湍流流动

流体在光滑壁面管内流动时,如果流体的整体流动趋势是明显的一层一层流动,并且各流体层之间互不干扰,不出现各流体层混合现象,我们就将流体的上述流动状态称为层流流动;当流体的流速逐渐增大时,我们发现,流体质点除了有沿管轴线方向水平运动的趋势外,还有沿垂直于管轴线方向垂直运动的趋势,流体所处的这种流动状态说明流体之前的层流流动状态已经被破坏,流体处于无规则的流动状态,我们将流体上述流动状态称之为紊流流动或瑞流流动。我们把流体流动状态发生改变时的流动速度称为流体的临界速度(流体的临界速度又可以分为上临界速度和下临界速度,且下临界速度低于上临界速度)。

流体的流动状态并不直接取决于流体的临界速度,而是由反映管道尺寸、流体物理属性、流体流动速度的组合表达式-雷诺数来决定的。雷诺数Re定义为:

Reud （2-3） 12

上式中,为流体的密度;u为流体的平均流速;d为流体管道的直径,为流体的动力黏性系数。

在工程实际应用中,一般当Re<2000时,我们就认为流体所处的流动状态为层流流动;当Re>2000时,我们就可以认为流体的流动状态为瑞流流动。实际上,雷诺数为一个无量纲数,其值反映了惯性力与薪性力之比。雷诺数较小时,说明流体的點性力相较于惯性力来说比较大,黏性力能够削弱引起流体紊流流动趋势的扰动力,从而使流体保持层流流动状态;而雷诺数较大,说明惯性力相较于黏性力的来说较大,易使流体质点发生紊流流动[5]。

在流体力学中,我们经常将Nu以及Pr这两个无量纲数与Re —起来对流体的流动进行分析研究。在对Nu以及Pr做相关说明之前,先对对流换热的概念做如下相关说明:热量传递有三种方式,即我们熟知的热传导、热对流以及热辖射。热对流仅能发生在流体,而且由于流体中的分子同时不停的在做无规则的热运动,因此热对流过程必然伴随着有热传导。在工程应用中,研究人员特别关注的是流体流过固体壁面时的热量传递过程,我们将该情形下的热量传递称为对流换热,以区别于一般意义上所说的热对流。

①Nu为反映流体对流换热强度的无量纲数,为对流换热强弱与导热传热强弱的比值,其定义为:

Nuhl （2-4）

上式中,h为流体对流换热系数;l为流道特征长度;为流体热导率。

②Pr是由流体相关物性参数所组成的一个无量纲数,多用来表明温度边界层和速度边界层之间的关系,其值的大小反映流体物理性质对对流换热过程的影响强弱。其定义为:

cp （2-5） Pr上式中,为运动粘度;为热扩散系数;cp为定压比热容。

2.2 数值模拟计算方法

2.2.1 FLUENT 简介

作为CFD软件包的一种,FLUENT对流体运动数值模拟的准确性和专业性越来越得到研究人员的广泛认可,使其成为国际上非常流行的商用CFD软件,其在美国的市场占有率超过60%,凡是和流体、热量传递和化学反应等相关的行业均可以采用。FLUENT具有丰富的物理模型、先进的数值计算方法和强大的前后处理器功能,在流体机械、车辆工程、石油化工和航空航天等相关方面都有非常广泛的应用。另外,FLUENT还提供有用户自定义函数(UDF),可以方便研究人员改进和完善所采用的

13

计算模型,从而可以更加方便的处理个性化的问题。

用FLUENT软件求解问题,一般需要用到三大部分软件:前处理软件、求解器、后处理软件。其中前处理软件的主要功能是创建研究对象的几何模型,对几何模型进行网格划分操作并设置相应的边界条件,主要软件包括GAMBIT、TGrid、prePDF、GeoMesh等。GAMBIT用于几何模型的创建和相应的网格划分操作,可以生成FLUENT直接使用的网格文件,另外FLUENT还提供各类CAD/CAE软件包与GAMBIT的接口,这样就大大增强了前处理器对复杂几何模型的建模能力;求解器是FLUENT流体计算的核心,其主要功能是导入由前处理器或其他CAD/CAE软件包所生成的网格文件、选择流体计算的物理模型、确定材料属性、施加相应的边界条件、流场初始化、仿真计算和后处理等;一旦所生成的网格文件成功读入到FLUENT中,所有剩下的操作都可以在FLUENT里面完成,其中包括选择流体计算的物理模型、确定材料属性、设置相应的边界条件、流场初始化、仿真求解、根据计算结果进一步优化网格质量、对仿真结果进行相关的后处理操作等;FLUENT本身附带有强大的后处理功能,可以进行一些图像显示、动画生成、生成计算报告等操作。此外,用户还可以借助专业的后处理软件Tecplot或CFD-Post进行相关的后处理操作,不仅可以绘制函数曲线、二维图形,还可以根据实际需要进行三维面绘图和三维体绘图,同时还可以提供多种多样的图形格式。

当遇到一个需要用FLUENT求解的流体问题时,我们需要按照一定的思路对所要求解的问题进行分析,制定出相应的求解方案。FLUENT的求解思路一般分为以下几步:

(1)确定计算目标确定通过FLUENT仿真需要得到什么样的结果,如何得到这些结果,这些结果需要采用什么样的精度设置;

(2)选择计算区域对所要数值模拟的整个物理模型系统进行抽象概括和相应的简化处理操作,确定出计算区域具体包括哪些区域,在模型计算区域的边界上需要使用什么样的边界条件,几何模型需要采用二维处理还是三维处理,哪些拓扑结构最适合所要研究的对象;

(3)选择物理模型由于FLUENT中每一种具体的物理模型都有其相关的参数设置,所以在进行数值模拟前,我们需要考虑好选择什么样的物理模型;

(4)决定求解过程我们需要确定所要研究的对象是否可以直接利用FLUENT现有的计算公式和算法求解,是否还需要我们提供其它一些相关的参数,是否可以通过修改一些相关的参数设置来使数值仿真更快收敛。在分析完上面四个方面的问题以后,我们就可以对FLUENT的整体计算过程有一个清晰认识,这样就可以较正确的开始使用FLUENT进行数值仿真了[6]。 2.2.2 数值模拟思想与理论

在科技发达的今天，产品的研发具有快节奏的特点，强大的数值仿真技术已成为

14

提高竞争力的关键因素之一。仿真的价值不仅仅是能够引导设计，而且能够用来开发探索那些新颖的，富有创造性的设计思路。在对流传热问题的研究中，数值计算方法已经得到的长期的使用，其可靠性较好，数值结果贴近实际，能帮助我们精确分析研究中的关键影响因素，并能给出优化的设计建议。本文利用 Fluent 软件对相同管径的光滑圆管与波纹管，和相同管径的凹槽管与光滑圆管管内流体的流动状态和特性进行数值研究。

现实的世界中，流体流过固体表面发生的对流传热在时间和空间上都具有连续性，在数学上我们描述各种流体流动与传热现象时采用的是偏微分方程加上各种边界条件的形式，虽然在数学上已经有了不少解析解，但是对于绝大部分工程应用，常采用数值分析的方法得到实际问题的近似解。数值传热学的基本思想就是：把时间和空间上连续的物理场离散化，用有限离散点处的变量值的集合来近似替代，通过离散方程建立离散点上各个变量之间的关系，然后求解代数方程来获得各个变量的近似解。 2.2.3 流动与传热问题的控制方程

流体的流动与对流传热必须遵守三大守恒定律：质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律，下面列出了这些定律微分形式的控制方程[7]。 质量守恒方程

uxuyuz0 （2-6）

txyz式中为密度（kg/m3）,t为时间（s）,ux,uy,uz为速度在x,y,z三个方向的分量（m/s） 动量守恒方程

uxpxxyxzxuxufx （2-7） txxzzuytpxyyyzyuyufy （2-8）

yxyzuzpxzyzzzuzufz （2-9） tzxyz式中P为压强（pa），xx、xy、xz粘滞力的分量（pa），fx、fy、fz为单位质量力的三分分量（m/s2） 能量守恒方程

EuEpkeffThjJjeffuSh （2-10 ） tj式中E 为流体微团的总能J/kg，h为焓J/kg，keff为有效热传导系数W/mk，

Jj为组分j的扩散通量，Sh为体积热源项。

15

2.2.4 湍流模型

湍流是工程领域中比较常见的流体流动状态，其重要性不言而喻。Fluent提供了丰富的湍流计算模型，工程上最常用的是k 和k这两类模型。 标准k（SKE）模型参数通过试验数据校验过，多数情况下具有合理的精度和稳定性，但是对强分离流、强旋转流、大压力梯度及大曲率流动模拟精度不够；RNGk模型（重组化群模型）方程中的常数由重正规化群理论分析得到，修正了耗散率方程，对一些复杂的剪切流，含有漩涡、分离的流动效果比 SKE 要好；Realizablek模型（可视化模型 RKE）其耗散率()方程由旋涡脉动的均方差导出，适用范围比较广，精度高于 RNGk模型，对旋转，分离，回流等现象能够更好的预测。标准k方程模型是建立在如下假设基础上的：流体为完全湍流流动，忽略分子粘性。

tdk湍动能 k 方程为：dtxiktd耗散率方程为：dtxikxGkGbYM （2-11） i2C1GkC3GbC2 （2-12）

kkxi这两个方程中Gk和Gb分别表示平均速度梯度和浮力因素引起的湍动能；YM表示总耗散率受到脉动膨胀的影响。 其中C1 大小为 1.44，C2大小为 1.92，C3大小为 0.09，

k和为湍流普朗特数，大小分别为 1.0，1.3

2.2.5 SIMPLE算法

在对控制方程离散化之后，可建立相应的离散方程，但是除了如已知速度场求温度分布这类简单的问题外，所生产的离散方程不能直接用来求解，还必须对离散方程进行某种调整，并且对各未知量(速度、压力、温度等)的求解顺序及方式进行特殊处理。SIMPLE算法是目前工程上应用最为广泛的一种流场计算方法，它属于压力修正法的一种。SIMPLE是英文Semi．Implicit Method for Pressure—LinkedEquations的缩写，意为―求解压力耦合方程组的半隐式方法’’。该方法由Patankar与Spfldmg于1972年提出，它的核心是采用―猜测．修正’’的过程，在交错网格的基础上来计算压力场，从而达到求解动量方程的目的。SIMPLE算法的基本思想可以描述如下：对于给定的压力场，求解离散形式的动量方程，得到速度场。因为压力场是假定的或不精确的，由此得到的速度场一般不满足连续方程，因此必须对给定的压力场加以修正。修正的原则是：与修正后的压力场相对应的速度场能满足这一迭代层次上的连续方程。据此原则，把动量方程的离散形式所规定的压力与速度的关系代入连续方程的离散形式，从而得到压力修正方程，由压力修正方程得出压力修正值。接着，根据修正后的压力场，求得新的速度场，然后检查速度场是否收敛。若不收敛，用修正后的压力值作为给定的压力场，开始下一层次的计算。如此反复，直到获得收敛的解[7]。

16

第3章 基于Fluent的换热器管道流场模拟

3.1 强化换热凹槽管内流动与传热数值模拟

3.1.1 问题概述

本研究采用Gambit前期软件建立模型，研究强化换热管为凹槽管在不同速度下的传热特性以及流动状态，并与相同尺寸的普通光滑圆管对比分析。管壁材料都为铜，其物性参数为 =8978kg/m3，cp=381J/kgK，=387.6W/m/K。图3-1为光滑圆管物理模型，图3-2为凹槽管的物理模型。光滑圆管与凹槽管的管径均为0.03 m。凹槽管的总长度为0.54m，高为0.003m，每隔0.04m有一个宽为0.01 m的凹槽，共10个[8]。

图3-1 光滑圆管物理模型 图3-2 凹槽管的物理模型

管壁为恒温，管内有低温水流过。高温管壁向管内的低温水传递热量。忽略重力影响，入口处水的初温为300 K，湍流度为15％管内流体雷诺数变化范围为

1~5x104 。本研究采用常物性不可压缩流体的三维稳态湍流模型，控制方程包括：

质量守恒方程、动量方程、能量方程以及标准k模型方程。采用非结构化网格对所建立的几何模型计算区域进行离散，利用有限体积法离散方程、非耦合的稳态隐式格式求解。采用标准湍流模型计算模拟管内湍流时的流动和传热情况。压力与速度的耦合计算采用SIMPLE方法，动量、湍动动能、湍流脉动耗散率以及能量方程为二阶迎风格式。边界条件的设置：入口为速度边界条件；出口为流动出口边界条件；壁面采用无滑移壁面条件，忽略壁面厚度，采用恒壁温条件，壁温为350 K。流体的入口速度和雷诺数见表。为了与光滑圆管的换热效果进行对比，模拟光滑管时其模型和边界条件和凹槽管一致。

表3-1 流体的入口速度和相应的雷诺数

雷诺数 入口速度m/s 6000 0.161 12000 0.322 18000 0.483 24000 0.644 3.1.2 Fluent的计算步骤 3.1.2.1 处理网格

网格处理包括网格的输入、检查、光顺、比例转换和显示等操作。读入网格文件，进行网格检查。控制台窗口中会显示与网格有关的信息，包括网格空间范围、体积信

17

息、表面积信息、节点信息等等。网格中存在的任何错误都会出现在这个信息报告中，其中最需要检查的是网格单元的体积不能为负值，否则计算将无法继续下去。本例网格良好无错误。按比例调整网格，调整单位，统一单位为m。显示网格。由于面板显示太小，我们将局部放大显示网格可以清晰的看到网格分布，如图 3-3。

图3-3 网格显示

3.1.2.2 计算模型

设置求解器参数，选择三维非耦合的稳态隐式格式求解。模型选择标准湍流模型 k-epsilon (2 eqn)，即k两方程模型。接受系统对k模型的缺省设置。然后启用能量方程并激活能量计算（在打开的对话框Energy Equation左侧选择框内打勾） 3.1.2.3 定义材料性质

在材料库中选择液态水，并复制其属性。密度998.2,比热容（kg/m3）kg/ms。 cp=4182(J/kgk)，热导率0.6W/mk，粘度0.0010033.1.2.4定义边界条件

将流体材料设置为液态水（water-liquid），速度入口边界条件速度设为0.483m/s湍流强度为15%，湍流长度0.0021m(0.07倍的水力直径)，入口温度为300K。流动出口边界，Flow Rate Weighting设为1。壁面材料属性设为铜，密度8978kg/m3，比热381J/kgK，热导率387.6W/mK。设定温度为350K。 3.1.2.5 求解过程

参数设置完毕并检查无误后，便可以开始流场计算，压力与速度的耦合计算采用SIMPLE方法，动量、湍动动能、湍流脉动耗散率以及能量方程为二阶迎风格式。如图 3-4，初始化流场，设置残差监视器开始迭代计算，经过九十多次计算后结果收敛。



18

图3-4 求解方式面板

图3-5 残差图

3.1.3 凹槽管与光滑圆管模拟结果对比分析

选定凹槽管与光滑圆管在垂直轴线X轴三个不同位置处，速度，温度以及湍动能分布云图，对比分析。如图3-6和图3-7分别表示凹槽管和光滑圆管在入口速度V=0.483m/s时，在三个不同位置截面处的速度场云分布图。图3-9和图3-10分别表示凹槽管和光滑圆管在入口速度V=0.483m/s时，在三个不同位置截面处的温度场分布云图，图3-11和图3-12分别表示凹槽管和光滑圆管在入口速度V=0.483m/s时，在三个不同位置截面处的湍动能分布云图。

19

X=0.13m X=0.13m

X=0.27m X=0.27m

X=0.40m X=0.40m

图3-6 V=0.483m/s 凹槽管内不同 图3-7 V=0.483m/s 光滑圆管不同 截面处速度场分布云图 截面处速度场分布云图

3.1.3.1 速度场分析

从图 3-6和图 3-7中可以看出，光滑管内流体的流动速度在近壁面处梯度比管内其它地方的速度梯度显然要大，在管道中间部分流体的速度梯度相对来说比较稳定，而且在流道中间部分的流体流速最大，管内流体的流动速度沿着垂直于传热管轴向的方向在不断地变小，同时流体流动速度方向不沿管道轴向发生改变，这是由于壁面剪切力的存在造成的，在传热管内近壁面处的流体的流动速度比其它地方的速度要小。同样在凹槽管内流体的流动速度也是在管道中间部分最大，在壁面处流体流动速

20

度较小，尤其是凹槽的凸起里面的流体。

比较图 3-6和图 3-7光滑圆管和凹槽管速度场，可以从这两个图中观察到，光滑圆管管内流体的流动比较平稳，沿着流体流动的方向流体的速度平坦而且速度方向没有任何改变。相比之下，凹槽管内的流体在流动过程中速度变化梯度比较明显，而且在凹槽管的壁面处的流体速度方向和光滑管的截然不同，它的速度方向发生了变化，所以凹槽传热管对管内流体的扰动更加剧烈。

图 3-8 V=0.483m/s凹槽管与光滑圆管内速度矢量分布图

本例还截取了凹槽管和光滑圆管管内速度矢量图，对其部分进行了局部的放大，如图 3-8。这有助于我们清晰地观察凹槽管管内介质的流动形态。光滑传热管内流体的流动速度方向和流体的流动方向是平行的，而且流体的流动速度的分布平坦，所以管内流体就不能很好地对边界层进行扰流，这样热量就不能够得到有效的传递。相较于光滑管，凹槽管凸起的管壁面对流体的流动产生了引导，同时凹槽管的凸起部分对流体又有扰动，所以凹槽管内的流体比光滑管的多了两种流动方式：一个是沿着凸起流动形成了流体的螺旋运动，这样近壁面处流体和传热管管壁之间的相对速度就会增加，那么对流体热边界层的扰动作用就越强，最终会减少管内传热过程中产生的热阻；一个是流体边界层的分离然后再附着，也即就是流体在近壁面处因受到凸起管节的扰动而在传热管管壁上产生了旋涡状的流动状态。流体在流动的过程中不断地剥离和附着以及旋转就增强了对热边界层的扰动，也就促使了边界层因破坏而导致厚度变薄，这样有利于热量通过边界层进行传递。在这两种方式共同的作用下，凹槽换热管管内的原因[9]。 3.1.3.2 温度场分析

图 3-9和图 3-10 分别为当管内流体的流动速度为 0.483 m /s时凹槽管和光滑圆管垂直轴线不同截面处温度场的分布图。观察这两个图，可以发现，光滑管和凹槽管内流体沿着换热管轴向温度不断地升高，造成流体温度沿着流动的方向变化的原因是：换热管壁面温度比换热管内流体的温度要高，这样换热管中的流体就相当于被加热了，近壁面处的流体温度比中心处的温度要高，越接近管道壁面，流体温度升高的幅度就

的传热得到了强化，这也是凹槽管的强化传热效果比光滑管的传热效果更加明显

21

越大，温度逐渐的向管中心扩散，而且越靠近管道的出口温度就越高。对比

X=0.13m X=0.13m

X=0.27m X=0.27m

X=0.40m X=0.40m

图3-9 V=0.483m/s 凹槽管内不同 图3-10 V=0.483m/s 光滑圆管内不同 截面处温度场分布云图 截面处温度场分布云图

图 3-9和 图 3-10 可以看出，沿着管道轴向凹槽管内流体的温升比光滑管的温升快，也即是凹槽管内流体的温度改变的速度比光滑管的温度改变的速度要快，且比光滑管内流体温度变化的范围要宽且快很多，这就可以说明凹槽管的换热效果比光滑管的换热效果要更好。 3.1.3.3 湍动能场分析

图 3-11和图 3-12 分别为当管内流体的流动速度为 0.483 m /s时凹槽管和光滑圆管垂直轴线不同截面处湍动能场的分布图。观察这两个图，可以发现，光滑圆管内流体流动时，越靠近壁面湍动能变化梯度越大，而三个不同截面的湍动能值变化

22

明显，两图比较可知，凹槽管外型波峰的存在，湍动能值增大且变化剧烈，湍动能大，

X=0.13m X=0.13m

X=0.27m X=0.27m

X=0.40m X=0.40m

图3-11 V=0.483m/s 凹槽管内不同 图3-12 V=0.483m/s 光滑圆管内不同 截面处湍动能场分布云图 截面处湍动能场分布云图

则对流体的扰动作用强，增强了管内流体与管壁间的对流传热性能，起到了对流体传热的强化作用。

3.1.4 强化传热特性分析

由于传热管管径不变，雷诺数与流体速度成正比。雷诺数增加意味着流体速度的增加。图3-13和图3-14为出口总换热量、流体出口温度与雷诺数的变化关系。数据见表3-2，表3-3。不论是光滑管还是凹槽管， 由于管长一定， 当流体速度增加时，流体在管内的受热时间缩短， 因此流体的出口温度随雷诺数的增加会降低但由于流

23

体流量也在增加，总的换热量也随雷诺数的增加而升高。从图中看出相对于光滑圆管，凹槽管内流体的出口温度和换热量均有较大提高。这是由于管内水流受到管内表面凹槽的扰动时加快了流体分离，削弱了凹槽内边界层的厚度，同时使主流流体的湍流程度加大，强化了换热。同时重庆大学动力工程学院闫云飞,张力,黄昕等人通过实验研究发现凹槽高度越大，流体出口温度和换热量也越大。原因是凹槽越高，引起的涡流强度越大，边界层表面更新更为剧烈，传热效果更好。凹槽管出口总换热量比圆管提高24%。可见凹槽管的换热性能比圆管好得多。

15000 凹槽管 光滑圆管出口总换热量W100005000500010000150002000025000雷诺数Re图 3-13 出口总换热量与雷诺数的关系 表3-2 出口总换热量与雷诺数的关系

雷诺数Re 6000 12000 18000 24000 出口总换热量/W 凹槽管 4658 7351 10907 13778 表3-3 出口温度与雷诺数的关系 圆管 3732 6086 8699 10980 雷诺数Re 6000 12000 18000 24000

出口温度/K 凹槽管 314 310 308 307 24

圆管 308 307 307 306

凹槽管 光滑圆管314312出口温度/K310308306500010000150002000025000雷诺数Re

图 3-14 流体出口温度与雷诺数的关系

3.1.5 阻力特性

凹槽管在增强换热的同时，流动阻力也有不同程度地增加。流速增加时，摩擦阻力及局部阻力均增加，因此光滑管与凹槽管的阻力均增大。凹槽管的阻力约为光滑管阻力的2-2.5倍。当雷诺数大于15000时，光滑管阻力增加幅度减小，而凹槽管的阻力基本成线性增加。这是由于低雷诺数时，粘性力占主导地位，阻力系数较大；高雷诺数时，惯性阻力占主导地位，阻力系数较小。凹槽管的阻力增大，主要是由于流体流经凹槽壁面时，产生边界层分离和漩涡，导致流体流动阻力增大。凹槽的高度越大，阻力也越大。凹槽结构在提高换热性能的同时，需要提供更多的泵功。

表3-4 雷诺数与进出口压差关系

雷诺数Re 6000 12000 18000 24000 进出口压差/Pa 凹槽管 29 75 208 289

圆管 14 33 77 115

25

凹槽管 光滑圆管300进出口压差 /Pa2001000500010000150002000025000雷诺数Re

图3-15 流体进出口压差与雷诺数关系

3.2 强化换热波纹管内流动与传热数值模拟

上文中已经对凹槽管与光滑圆管的传热性能进行了对比研究分析，为了进一步从换热性能上研究换热管换热特性，本节将对波纹管管内流体流动特性以及流动状态进

图3-16 波纹管尺寸及物理模型

行三维数值模拟并与相同截面尺寸的光滑圆管流动特性以及流动状态对比分析。波纹管是一种能同时强化管内和管外传热的双面强化管。如图3-16所示，由依次交替的弧形段(波峰)和直线段组成，由于断面改变，使弧形段内壁处发生两次反向扰动，较大地破坏了边界层的热阻层，加大了流体的湍动程度，因而强化了传热[10]。 3.2.1 数值模型

在建立模型时，对管内流动作如下假设：

(1)流体为不可压缩流体，并且为充分发展的湍流流动； (2)流体物性不随温度发生变化； (3)忽略重力的影响；

(4)所有界面和接触表面不变形，液—固接触面为无滑移边界；

26

(5)管壁很薄，忽略壁厚对传热的影响，将壁厚设置为 0； (6)不考虑流体中的粘性耗散[10]； 3.2.1.1 控制方程

根据以上假设，由于是定常不可压流动，则采用三维不可压缩流动的质量守恒方程式（2-6）动量守恒方程（2-7,2-8，2-9）能量守恒方程（2-10） 3.2.1.2 边界条件

本文模拟计算过程涉及到两种边界条件：速度入口和流动出口。将流体材料设置为液态水（water-liquid），初始温度为 17℃，即 273+17=290K，圆管和波纹换热管的壁面采用恒壁温条件，壁温为45℃，即273+45=318K。壁面材料默认Fluent的材料物性参数。速度入口边界条件速度设为速度大小与方向。入口速度大小分别取0.5、0.8、1.0、1.2ms1，方向垂直于进口截面，各流速对应的雷诺数分别为 6570、10511、13139、15767；湍流参数选取湍流强度 5%，水力直径 16mm。 3.2.1.3 网格划分

四面体是三维空间最简单的形状，任何空间区域都可以被四面体单元所填满，即任何空间都可以被以四面体为单元的网格所划分。由于非结构网格舍去了网格节点的结构性限制，节点和单元的分布是任意的，易于控制网格单元的大小、形状和网格点的位置，因而比结构网格具有更大的灵活性，对复杂外形的适应能力强，能较好的处理物面边界。 针对本文中计算区域的几何结构较为复杂的情况，采用非结构化网格对计算区域进行离散化，网格划分的步长为1.8mm。如图 3-17 。

图 3-17 波纹管圆管网格形式

27

3.2.1.4 求解方法

圆管采用标准k −ε湍流模型，波纹管采用 RNGk −ε湍流模型，采用二阶迎风差分法对控制方程进行离散，采用 SIMPLE 算法进行压力修正。定义收敛的条件为残差绝对值小106。波纹管在经过一百三十多次计算后结果收敛，圆管经过一百七十多次计算结果收敛。残差图如下

图3-18 波纹管在速度为1.0m/s时残差图

图3-19 圆管在速度为1.0m/s时残差图

28

3.2.2 模拟结果对比及分析 3.2.2.1 速度场分析

以进口流速V=1.0m/s 为例，截取垂直于中心轴的三个截面 X10.7m，

X21.025m，X31.353m，分析流体在圆管和波纹管中相同位置处速度的变化，结

果如图3-20和图 3-21。

X=0.7m

X=1.02m

X=1.35m

图3-20 V=1.0m/s波纹管内不同 图3-21 V=1.0m/s光滑圆管内不同

截面处速度分布云图 截面处速度分布云图

29

从图 3-20和图 3-21中可以看出，光滑圆管内的流动速度比波纹管里的流动速度快，光管近壁面的速度边界层较薄，并且在流动过程中保持不变，因此相较于光管，波纹管内部产生的涡旋对流体的扰动较强。 光滑管内流体的流动速度在近壁面处梯度比管内其它地方的速度梯度显然要大，在管道中间部分流体的速度梯度相对来说比较稳定，而且在流道中间部分的流体流速最大，管内流体的流动速度沿着垂直于传热管轴向的方向在不断地变小，同时流体流动速度方向不沿管道轴向发生改变，这是由于壁面剪切力的存在造成的，在传热管内近壁面处的流体的流动速度比其它地方的速度要小。同样在波纹管内流体的流动速度也是在管道中间部分最大但没有圆管中的大，在壁面处流体流动速度较小，尤其是波纹的波峰里面的流体。

为了更清晰地看清二者管内的流动现象，我们在这里取波纹管和光滑圆管内流体流动的矢量图分析，结果如图3-22和图3-23。

图3-22 波纹管速度矢量图

由两图中可以清楚地看出，在远离壁面处的流速基本与入口流速相同，且不沿流向变化，而由于壁面剪切应力的作用，近壁处的速度较小，并且越接近管壁速度越小，直到壁面上的速度为零。在光滑圆管中的流体径向速度与主流速度相比很小，说明圆管中流体的换热主要靠导热作用。而在波纹管中的流体经过波峰时，管壁处形成径向漩涡，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，流体又经过下一个波纹，保证了连续稳定的强化换热作用。

30

图3-23 光滑圆管速度矢量图

随着流体的流动，波纹管近壁面区域的速度边界层逐渐减薄，并且在波纹的下游区域减小到最薄，这是由于流体在波纹内分离为三个方向的流动，一部分是沿波纹做周向运动，一部分做径向运动，一部分沿着原来的流动方向做轴向运动，这三个方向的流动在波纹的近壁面合成为复杂的脱体涡旋，从而在很大程度上破坏了速度边界层，在近壁处引起了扰动。光管在近壁面的速度边界层较薄，并且在流动过程中保持不变，因此相较于光管，波纹管内部产生的涡旋对流体的扰动较强，利于换热。 3.2.2.2 湍动能分析

同样截取垂直轴线X方向上三个不同位置处的截面，对比分析在相同位置截面处，波纹管和圆管的湍动能变化情况。

X=0.7m

31

X=1.025m

X=1.353m

图3-24 V=1.0m/s波纹管内不同 图3-25 V=1.0m/s光滑圆管内不同

截面处湍动能分布云图 截面处湍动能分布云图

从图中可以看出，随着流体的流动，在波纹管的近壁面处产生了湍动能变化，且增大幅度明显。流体在圆管中流动时，越靠近壁面湍动能变化梯度越大，而在三个不同截面的湍动能值变化不明显，且没有湍流中心；两图比较可知，波纹管外型由于波峰的存在，湍动能值增大且变化剧烈，湍动能大，则对流体的扰动作用强，延长了流体在管中的停留时间，使得换热时间延长。增强了管内流体与管壁间的对流传热性能，起到了对流体传热的强化作用。 3.2.2.3 温度场分析

以上分析了波纹管和圆管里的速度以及湍动能场分布，这里我们分析一下管内的温度场分布，分布云图如图3-26，图3-27所示。

X=0.7m

32

X=1.025m

X=1.353m

图3-26 V=1.0m/s波纹管内不同 图3-27 V=1.0m/s光滑圆管内不同

截面处温度分布云图 截面处温度分布云图

观察这两个图可以发现，波纹管和光滑圆管内流体沿着换热管轴向温度不断升高，造成流体温度沿着流动方向变化的原因是：换热管壁面温度比换热管内流体的温度要高的多，这样换热管中的流体就相当于被加热了，近壁面处的流体温度要比中心处的温度高。越接近管道壁面，流体温度升高的幅度就越大，温度逐渐的向管中心扩散，而且越靠近管道的出口温度就越高。对比图 3-26 和 3-27 可以看出，沿着管道轴向波纹管管内流体的温升比光滑管的温升快，也即是波纹管管内流体的温度改变的速度比光滑管的温度改变的速度要快，且比光滑管内流体温度变化的范围要宽，这就可以说明波纹管的换热效果比光滑管的换热效果要更好。 3.2.3 强化传热特性分析

通过模拟软件Fluent计算得出不同雷诺数与出口总换热量以及出口温度的关系。绘制成图3-28和图3-29所示的出口总换热量和出口温度随雷诺数变化的曲线图。由图可知，不论是光滑圆管还是波纹管，由于管长一定，当流体速度增加时，流体在管内的受热时间缩短，使得对流换热时间缩短。因此流体的出口温度随雷诺数的增加也即流体流流速的增加会降低但由于流体流量也在增加，总的换热量也随雷诺数的增加而升高。从图中看出相对于光滑圆管，波纹管内流体的出口温度和换热量均有较大提高。这是由于管内水流受到管内表面波纹的扰动时加快了流体分离，加剧流体湍流，促使边界层表面快速更新，削弱了波纹内边界层的厚度，同时使主流流体的湍流程度

33

加大，从而达到强化传热的目的。

从图3-28出口总换热量随Re的变化曲线中得出波纹管的出口总换热量比光滑圆管提高35%。

波纹管光滑圆管12000出口总换热量/W1000080006000400050001000015000雷诺数Re

图3-28 出口总换热量随Re的变化曲线

表3-5出口总换热量随Re的变化关系 雷诺数Re 6570 10511 13139 15767 出口总换热量/W 凹槽管 5270 7830 9700 11920

表3-6 出口温度与雷诺数的关系

圆管 4456 5973 6758 8500 雷诺数Re 6570 10511 13139 15767 出口温度/K 凹槽管 309 307.9 305 303

圆管 303 302.7 302.2 299

34

312310308306光滑圆管 波纹管出口温度/K30430230029829650001000015000雷诺数Re

图3-29 出口温度随Re的变化曲线

优化计算表明, 波纹管在低雷诺数下不能有效发挥强化传热作用, 相反还会削弱传热。其强化传热特性体现在高雷诺数下，无论是在低雷诺数区域还是在高雷诺数区域, 选择小波纹间距有利于增强波纹管的传热, 同时又能降低阻力系数。对于波纹管结构尺寸的选取, 可结合具体的应用情况及加工工艺进行分析[11]。

35

第4章 结论

采用Fluent商业计算流体软件对强化换热管波纹管和凹槽管内的流体流动状态与传热情况进行了三维数值模拟。模拟了湍流情况下凹槽管和波纹管内不同速度对流动与传热的影响，并将模拟结果与光滑圆管内的流动状态以及传热情况做了对比和分析。

模拟得到管内的速度、温度、压力、及湍流动能分布云图，以及出口总换热量、出口温度、进出口压差随着雷诺数的变化曲线。结果表明，相同流速下，凹槽管和波纹管的传热性能均好于相同条件下的光滑圆管。凹槽管出口总换热量比圆管提高24%,波纹管比圆管提高35%。

流速增加，使流动边界层和热边界层变薄，强化了传热。凹槽和波纹结构能产生径向漩涡，减小了边界层的厚度，加剧流体湍流，促使边界层表面快速更新，从而强化了传热。且流速越高，强化传热性能越好。

研究表明与光滑管相比，凹槽管的换热系数增大但阻力也增加；但当凹槽高度为0.003 m时，换热系数最大且阻力增加量最小。凹槽高度增加时，反而会出现换热系数减小且阻力增加量增大的趋势。因此选择适当的凹槽结构，可使凹槽管的综合性能优于光滑管[8]。波纹管的波峰处直径的变化会对波纹管的传热和流动效应有较大影响,在其他参数不变的情况下,波峰处直径取25 mm 的波纹管具有较好的传热效果[17]。

36

参考文献

[1] 秦叔经，叶文邦，等. 换热器. 化学工业出版社，2003．

[2] 过增元, 黄素逸．场协同原理与强化传热新技术[M]．北京：中国电力出版社2004． [3] 崔海亭, 彭培英．强化传热新技术及其应用[M]．北京：化工工业出版社，2005． [4] 董其伍，朱青，刘敏珊．换热器强化传热技术[J]．中国油脂，2007，32(2)：62-64． [5] 黄卫星，李建明，肖泽仪．工程流体力[M]．北京：化学工业出版社，2008 [6] 张哲,厉彦忠,田律津.CFD技术在板翅式换热器设计中的应用[J].低温与超导，

2002,30（3）:41-45

[7] 王福军.计算流体动力学分析— CFD 软件原理与应用[M].第一版.北京：清华大

学出版社.2004,113-121

[8] 闫云飞,张力,黄昕.强化换热凹槽管内流动与传热数值模拟[R].重庆 [9] 李香。螺旋型波纹管强化传热的数值模拟及其优化[D].2014

[10] 姬长发，侯琳洁，赵文秀, 何国欣.波纹管强化传热的数值模拟 [A].西安 [11] 吴峰,曾敏.波纹管内流动与传热规律的数值计算[A].西安

[12] 张亚军.几种强化传热管的强化传热性能与流阻性能研究［J］石油化工设备.2004 [13] 商福民，毕庆生，张志正，等．波纹管与光管流体传热性能对比实验研究［Ｊ］．长

春工程学院学报，2003,4(3);35-35.

[14] 肖金花，钱才富，黄志新．波纹管传热强化效果与机理研究[J]．化学工程，2007, 35(1):12-15

[15] 简弃非，肖恺．基于FLUENT软件的强化传热管特性三维数值模拟研究[J]．低 温与特气，2006，24(6)：6-9．

[16] 曹应佳.基于FLUENT的波节管换热器性能数值仿真及其结构优化[D].武汉:武汉

理工大学,2012.

[17] 徐建民,王晓清,李强.波节管流动和换热性能的数值模拟及试验研究[A]武汉.2008

37

致谢

至此，本次毕业设计已经顺利完成。由于本人设计能力有限，此次设计过程中遇到许多难题，在此情况下，是高琳老师给予极大的帮助与指导。在她的帮助与指导下我顺利的学会了数值模拟软件Fluent和Gambit，这对我以后的工作和学习都有有极大的帮助。也让我体会到了数值模拟的乐趣和意义。高老师在毕业设计阶段所给予精确的指导、对错误的纠正更是论文能够如期完成的重要保证。衷心感谢高老师的耐心指导和培育。

高老师不仅给予了我极大耐心的指导，而且给我推荐了大量与设计相关的文献资料，她对我的严格要求和对错误的及时检查和指正，能够让我在设计中少走好多弯路，起到事半功倍的效果。每次有我解决不了的问题高老师都会及时准确的给与我帮助和解答。使得我的设计工作有条不紊的进行，直到顺利的完成此次设计任务，在此我再次感谢我的高老师。

同时，我也要感谢在这次设计中曾给我提供过帮助的其他老师和周围的同学以及在这次设计中引用到的文献资料的作者们。你们的帮助也是我能够顺利完成论文的关键，谢谢你们。

38