常见强化换热管内的流体传热模拟研究

一、研究背景与意义

强化传热是节能与安全运行管理技术的重要方向之一。通过强化传热措施提高换热设备单位传热面积的传热量可以使设备紧凑，节省设备金属耗量、减少能源损耗；对于冷凝器或凝汽器而言，强化传热还可以节约水资源与减少冷却水泵功耗；对于用于高温工质的换热管道如锅炉对流管束来说，强化传热还可以提高设备运行安全可靠性，延长设备寿命。同时，随着现代电子设备微型化紧凑化高热流密度的发展，微通道传热及高功率部件的及时高效散热需求变大，高效传热的地位在无形中也被抬高。当前流体及强化传热理论基础相对完备，但受限于实际实验测量点的设置干扰问题，可视化技术的局限性，使得学者们对于强化换热问题的研究倾向于成本低廉、效率高的数值模拟。同时对于纷繁的研究成果缺乏一个统一的参考标准。因此，在同一工况下对强化管内流体流动特征的研究，对分析强化传热特性和实际应用具有重要工程意义。

常用的CFD软件主要有ANSYS Fluent，STAR-CCM，comsol等，为研究流体的微观特征提供较好的数值模拟平台，是工程研究的重要手段之一。本文研究使用ANSYS Fluent研究分析强化管内流体的流动和传热特征，为工程应用提供一些参考资料。

二、国内外研究现状

就国内外大部分研究现状而言，流场模拟强化传热研究重点主要集中在：①创造旋转流环境如螺旋管、扭曲管、管内置扭带等，流型从柱塞流变为旋转流，利用离心力的作用减轻管壁对流体的粘性作用并且增强管壁横向冲刷从而达到削薄边界层的作用，另外旋转流促进流体之间的湍流掺混从而促进流体之间的传热，而且还延长流程延长换热时间，多方面强化传热；不过与此同时机械扭曲加工使换热管强度变差并且压损也随之增大，而研究发现减少对主流区的干扰可以在较大程度上减轻压损。②创造射流条件，射流直接冲击壁面及卷吸作用可以破坏原来相对稳定的流体结构从而极大强化局部范围的传热效果。③异型管如椭圆管、内波节管、花柄管、内波纹管等扩展换热面积，波纹波节等还破坏边界层从而达到强化传热效果；但随之带来的是管壁增厚导热热阻变大同时金属用料增多否则可靠性密封性变差使用寿命变低。④涡流发生器如爪型翅涡杆、锥形片爪型翅涡杆、直面梯形翼柱面梯形翼等从换热管截面中心或壁面增加扰流结构从而产生多个纵向二次涡，增大湍流度强化传热；但引发的压损影响也很大，改进方案主要有增大空缺比、在涡流发生器上冲孔减小前后压降等。⑤微通道分流增大换热面积同时改善紧凑性，但是压降、堵塞、工质分配均匀度等问题仍需研究者关注，改进表面张力、内壁疏水性可以作为减小压降的一个参考角度。⑥改变流体物性如使用高导热性的纳米流体、加金属颗粒的流体等，但成本过高。

1.从改变流型角度入手

李雅侠等^[1]基于螺旋管叠加射流，考察射流入射角度及射流速比对强化螺旋通道内流体传热的影响，并指出：纯螺旋管由于离心力外侧壁的传热效果较好，而射流的冲击与卷吸作用可以显著强化内侧壁的传热，且由于流体主流离心涡的作用，最佳局部强化点偏后于射流器位置，Nu_local 最高可为纯螺旋管的5.87倍 ；同时指出适当提高α或ε均可提高射流在螺旋管内的综合强化传热效果。

张兰^[2]模拟对比光管、花柄管与螺旋花柄管（扭曲管）的传热效果与流阻大小，设置不同质量流量与螺旋导程分析二者对螺旋花柄管传热流动的影响。指出：传热效果--螺旋花柄管gt;花柄管gt;光管（同泵功耗下），流阻大小—螺旋花柄管gt;花柄管gt;光管，管内流体同时受到花柄沟槽曲率与螺旋扭率的影响，随着管壁做旋转、附着、脱落的运动，强化湍动有效地破坏边界层，强化传热但同时增大流阻，其中管内凹槽增大换热面积也对强化传热起到一定作用，螺旋角度则对流体形成一定的分流作用，进一步增大流体间碰撞摩擦增大流阻；流速或质量流量增大会同时强化换热与增大流阻；随着螺旋导程增加，强化传热效果与流阻不断下降；另外，由于进口过高流速冲刷易改变管内流体流动方向变化，故随着进口流速增大，压降增大明显。

王娟^[3]等针对管内加扭曲片的强化传热方式，对比分析不同结构的扭曲片形成的纵向涡结构及对管内传热与压降的影响。指出：采用RNG k-ε湍流模型可较精确地计算管内变形率较高与流线弯曲程度较大的流动；出于减轻管道堵塞在管道中心均匀开口，管内流体流型转为两股扭率渐小的扭转旋流，对管内核心扰动程度变大使得压降大增，而开口沿管壁狭长度对降低压损程度有一定的作用。

余颖等^[4]利用换热管内置涡杆进行大涡模拟，着重分析流场拟序结构从而研究强化传热管的传热机理。指出：流体流经涡杆时，涡杆爪型翅会让流场形成大尺度纵向涡，提高湍流强度从而加速壁面与中心区域流体混合，并且涡旋的产生会减薄或破坏边界层的发展，促进动量和能量的输送。

刘鹏等^[5]也利用换热管内置涡杆进行数值模拟同时进行PIV实验测量管内三维速度场与流动结构来验证模拟结果准确性，该涡杆采用锥形片爪型翅，着重分析锥形片数与空缺比（锥形片空缺角度占圆周角的比例）对强化换热的影响。指出：强化传热性能与流阻均随空缺比的减小而增大，综合换热性能在适中的空缺比可取得最大值；同时在较大空缺比或较小雷诺数下，强化传热性能随锥形片片数的增多而增强。

刘博^[6]基于表面冲孔可有效减小涡流发生器的形状阻力从而减小流动压损，通过在直面和柱面梯形翼涡流发生器表面冲孔，数值分析不同冲孔面积与冲孔形状对涡流发生器强化换热与流阻的影响。指出：冲孔面积比为0.06的直面梯形翼，层流时不同冲孔形状强化传热效果相当且均高于湍流、流动阻力相当且均低于湍流，湍流时强化传热效果—圆孔gt;梯形孔gt;矩形孔gt;三角孔（层流湍流射流经孔冲击翼后滞止区的情况不同），流动阻力—圆孔gt;梯形孔三角孔gt;矩形孔，故总体上层流状态采用直面梯形翼冲梯形孔综合换热效果最佳（R=1.291）；同时在直面梯形翼上打各种冲孔面积的圆孔，对比分析下，最佳冲孔面积比为0.12。

贾文华^[7]对蒸汽混合气体在换热管内凝结传热进行数值模拟，探究换热管倾斜角度、异型管、管径对凝结换热的影响。最终指出：倾斜角度对大管径换热管凝结换热影响较大，倾斜90°时气体凝结换热系数最大；在相同当量直径下，冷凝换热系数始终是正方形＞圆形＞正三角形（由于正方形角区角度相对较大使得该处空气积聚，换热管空气膜变薄）；波节管内壁面平均换热系数高于光滑管，流体经过每个波节时均会产生逆时针的旋涡，这个旋涡会带动一部分流体在波节下游处脱离主流进入到整个波节区，从而破坏波节下游气膜；强化传热效果：波节高度＞波节宽度增加＞波节间距减小。

陈志刚等^[9]对三角槽道层流脉动流传热及流动特性进行模拟研究，指出层流脉动流对于周期性凹槽或波纹通道中流体的掺混和传质起到强化作用；强化传热与流动减阻在层流脉动流中可以实现匹配，存在一个能够实现较高换热效率与较小流阻损失的St斯特哈尔数（频率）区间；脉动振幅强化传热程度大于提高流阻程度，对于低Re数的流体尤为如此。

2.从对抗流体黏性力的角度

M. Rossato等^[8]在对板翅式冷凝器的研究中着重提到了表面张力对冷凝过程的重要性，对研究冷凝过程强化传热提供一个新颖的角度。

李雅侠等^[1]、张兰^[2]等利用旋转流或扭曲管扭曲片的研究则是从利用离心力对抗流体粘性方面入手。

3.从流体物性入手

杨丽媛等^[10]搭建椭圆管内纳米流体强制对流试验台，对比探究去离子水与不同质量百分数的纳米流体椭圆管中的对流传热特性，探究某种内置扭带结构对强化传热的相对最佳效果。指出：在相同条件下， 圆管中ω=0.5wt%的TiO₂-H₂O纳米流体的Nu数较去离子水最高增加16.1%，即纳米流体的传热效果优于去离子水；椭圆管长短轴比Z=1.706中ω=0.5wt%的TiO₂-H₂O纳米流体的Nu数较长短轴比Z=1.235中的最高可增大18.28%，即椭圆管长短轴比越大，传热效果越好；另外，椭圆管内置扭带可使Nu数在同等情况下增大4.3%，即扭带强化传热。同时，杨丽媛等还探究各种强化传热渠道对压损的影响，发现纳米流体由于自身粘度，流动传热过程中造成的压损大于去离子水，但总体上综合性能仍优于去离子水，并且分析发现综合性能指数在临界雷诺数时达到最大值，椭圆管临界Re数约为9053；而椭圆管对压降的影响实际上并不大，可以忽略不计。

Idris Khalil Idris Ali^[11]对纳米流体性质进行详细探究，并对纳米流体进行数值模拟以提高核燃料棒束与冷却剂之间的传热。指出在同流速下，传热效果—2%的纳米流体gt;0.5%的纳米流体gt;水，同时发现其传热系数随Re数的增大而增大。

4.从微通道分流入手

段鼎立^[12]通过搭建微通道蒸发器强化传热性能试验台探究气液两相流动优化。指出微通道蒸发冷却器变常规单流道为并联平行多流道，提高换热效果但压损大大增大。

吴龙文等^[13]人借鉴自然界各种网络特点设计分析各种微通道仿生拓扑结构，指出在质量流速相同时，微通道截面的总体压降—半圆形gt;矩形gt;三角形；散热强化效果—仿蜘蛛网型gt;仿蜂窝型gt;仿叶脉型gt;仿昆虫翅型gt;矩形平直结构；压降—仿昆虫翅型gt;矩形平直结构gt;仿叶脉型gt;仿蜘蛛网型gt;仿蜂窝型（五者均在100kPa左右徘徊）；其中仿蜘蛛网型综合散热性能最优且进出口压降较低；同时提出增加微通道内壁面润湿性（超疏水内表面）来起到减阻作用，这种想法对于减小管道压损具有相当的借鉴价值。

三、结论

综上所述强化管内换热主要有改变原有流型如旋转流、射流、异型管、插入物涡流发生器等破坏平直流，利用换热管结构产生外力如离心力、表面张力等与流体粘性对抗，匹配更加合适的流体物性如高导热流体纳米流体或低粘度流体等， 或者是新兴的微通道换热等。

本文拟定以各研究中强化换热管综合换热性能最佳的结构参数设置为基础，利用CFD软件ANSYS Fluent控制其他变量如同泵功同质量流量同管长、几何条件或热物性参数等，对比分析下各强化换热管的换热效果及流场特征，并且简单比较一下各换热管的制造工艺难度及使用寿命从而对比各换热管的使用经济性，使用场合等，从而获得一些有益的结论。

参考文献：