1、1内螺纹肋管换热器换热特性的数值研究【摘要】：应用计算流体动力学软件 Fluent 对内螺纹肋管内流体换热特性进行了数值模拟。通过对无量纲肋高 H 在范围 0.02-0.06，肋数N 在范围 35-50 条，螺旋角 在范围 35-45的研究结果表明：随 H的增加，Nu 和 f 都有较大增加；随着 的增大，Nu 和 f 均先增大后减小，在螺旋角为 41时，Nu 达到最大，在螺旋角为 39时，f 达到最大；而肋数 N 对 Nu 和 f 的影响较小。计算结果表明，研究范围内最佳肋参数为 H=0.04，N=40，=41。 【关键词】内螺纹 ， 换热器 【 abstract 】 : using comp
2、utational fluid dynamics software Fluent internal threads rib tube fluid heat transfer characteristics on the numerical simulation. Through to the dimensionless high H in the range of rib 0.02 0.06, rib in scope and number N-article 50, spiral Angle is related in the range of 35 to 45 research resul
3、ts show that with the increase of H, Nu and f there are great increase; Along with the increase of , Nu and f are first increases, then decreases, and in a spiral Angle for 41 , Nu achieve maximum, in a spiral Angle of 39 , f achieve maximum; And the number of rib and f N Nu less effect. The calcula
4、tion results show 2that, within the scope of the best rib parameters for the H = 0.04, N = 40, = 41 . 【 key words 】 threaded, heat exchanger 中图分类号：TK172 文献标识码： A 文章编号： 1 引言 能源危机对世界的经济发展和科学研究造成了巨大的冲击，迫使人们尽力减少石油与其他二次能源的消耗。这在客观上极大地促进了强化传热技术的研究。内螺纹肋管是一种在管内壁上具有螺纹型肋片的高效无源强化换热管, 目前广泛应用在化工、石油和空调制冷等行业中1-3，其示
5、意图如图 1 所示。 图 1 内螺纹肋管示意图 目前对内螺纹肋管管内换热的研究主要采用实验方法，而采用数值方法的研究较为少见。而深入的了解内螺纹肋管内流体的三维换热有助于更深入地探讨内螺纹肋管的强化换热机理, 以及实现对其结构参数的优化。本文采用计算流体动力学软件 Fluent 对内螺纹肋管内流体三维层流换热进行了数值模拟，并对其结构参数进行了优化分析，以期找到其最佳的结构参数 2 物理模型 内螺纹管的结构简图如图 2 所示。取螺纹转过 360的轴向长度为研3究对象，管子的直径 D=20mm。肋片形状为梯形肋，肋顶角 取为 60，肋顶宽取 0.4mm。定义无量纲肋高为 H=2e/D，其中 e
6、为螺纹肋高度，为螺旋角。 图 2 内螺纹肋管结构简图 本文主要研究了无量纲肋高、肋片条数以及螺旋角对内螺旋管内流体流动与换热特性的影响。研究范围内肋的结构参数取值范围为：无量纲肋高 H 为 0.020.06，肋数 N 为 3550 条，螺旋角 为 3545。分析肋高、肋数、螺旋角的变化对努塞尔数 Nu 和阻力系数 f 的影响。 3 计算方法 应用计算流体动力学软件，以空气为工作介质，假定管内流动是稳态充分发展层流；不考虑流体的粘性耗散和质量力；恒热流边界，不考虑轴向导热。 4 计算结果及分析 （1）螺旋角 对 Nu 和 f 的影响 图 3 螺旋角 对 Nu 的影响 图 4 螺旋角 对 f 的影
7、响 由图 3 和图 4 中可以看出，随着螺旋角的增大，Nu 与 f 先增大后减4小，Nu 变化范围在 6.5847.448 之间，f 变化范围在 0.07170.0787 之间。这主要是由于螺旋角越大，肋的旋转程度越大，对流体的径向扰动越强，从而加强了流体的混合，螺旋角增大也加剧了二次流的产生，从而强化了换热效果，也增大了阻力。但随着螺旋角的进一步增大，螺纹肋已不利于减小边界层，此时 Nu 开始下降，同时阻力系数也有所减小。计算表明，在本文范围内，螺旋角在 41时，Nu 达到最大。 （2）肋数 N 对 Nu 和 f 影响 从图 5 和图 6 中可以看出，Nu 变化范围在 7.4487.524
8、之间，f 变化范围为 0.07420.0772。计算表明，在本文的计算参数范围内，随着肋数 N 的增加，Nu 和 f 变化均不大。原因是随着肋数 N 的增加，螺纹肋管的表面积将增大，但对流体的扰动增强很小，由于使螺旋肋管换热增强的主要原因是螺旋肋对流体的扰动。所以，尽管肋数 N 增加，增大了换热面积，但总体的换热效果增加却不大。 图 5 肋数 N 对 Nu 的影响 图 6 肋数 N 对 f 的影响 （3）肋高 H 对 Nu 和 f 影响 5图 7 无量纲肋高 H 对 Nu 的影响 从图 7 和图 8 给出的是无量纲肋高对 Nu 和 f 的影响。计算结果表明，随着肋高 H 的增大，Nu 和 f
9、均单调递增。原因是随着肋高的增大，螺纹肋对流体的扰动增强，更易在流道内形成强烈的二次流，流体混合更加充分，换热效果更好，同时流动阻力也会增大。所以，肋高对螺纹管的流动与换热影响较大。 图 8 无量纲肋高 H 对 f 的影响 （4）不同结构下换热性能的综合评价 从前面的分析可以看出，内螺纹管内流体换热能力增强的同时，流动阻力亦会增加。对于强化效果的评价，通常可以采用三种评价指标4-6： (1)相同换热面积和泵功时，螺纹管与光管的换热量之比； （4.1） (2)相同换热面积和换热量时，螺纹管与光管所耗的泵功之比； （4.2） (3)相同泵功和换热量时，螺纹管与光管所需的换热面积之比。 （4.3）
10、对于以上三种评价指标，只要满足，则所采用的强化传热技术是有6实际意义的。 令。图 9、图 10、图 11 给出了计算范围内在肋参数范围内， 的变化规律，可以看出 在 1.2411.300 的范围之间，说明内螺纹的强化传热具有实际意义。通过比较基于相同泵功的评价指标 ，当H=0.04，N=40，=41时， 值最高，表示在此参数下的螺纹管综合换热效果是最好的。 图 9 螺旋角 变化对 的影响 图 10 肋数 N 变化对 的影响 图 11 肋高 H 变化对 的影响 5 结论 螺纹管能够增加管内流体的扰动，可使流体螺旋前进，使流体充分混合，从而增强流体的传热效果。基于以上的机理，本文对内螺纹肋管进行了
11、数值模拟，研究内螺纹肋管的几何参数变化与螺纹管的关系，总结螺纹管内的流动与传热规律。通过数值模拟与计算研究，本文得出了以下几点结论： （1）随着螺旋角的增大，内螺纹肋管的换热效果总体是增强的，在741时，出现了最大值，此时的 Nu 值最大； （2）随着肋数的增加，内螺纹肋管的传热效率也有一定程度的增加，但是增加的幅度较小； （3）随着肋高的增加，Nu 数明显增加，对于三个几何参数，肋高对流动传热的影响较大，其次是螺旋角，最后是肋数。 （4）研究范围内，通过对换热性能的综合评价得出最佳的肋参数为H=0.04，N=40，=41。 参考文献 1 孙东亮，樊菊芳，王良璧. 内螺纹肋管内流动与传热的数值
12、模拟J.工程热物理学报，2006，(26)3：483-485 2 董?，吴江全，刘振德. 螺纹管综合性能的研究探讨J. 热能动力工程,1990(5)1：12-35. 3 Webb R.L.Heat Transfer and Friction Characteristics of Internal Helical-RibRoughness J. Journal of Heat Transfer, 2000, 122. 4 吴慧英，程惠尔，周强泰. 基于 Webb 指标的管内强化对流热力性能的计算及应用J. 上海交通大学学报,1999，33（3）：377-379 5 林宗虎，汪军，李瑞阳等. 强化传热技术M. 北京：化学工业出版 2007:124-144 6 高青. 传热管强化传热性能评价方法研究 J. 化工机械,1992,19(5):277-28144
