环形波节螺旋管流动与传热特性研究.pdf

2023 年第 52 卷第 9 期石油化工PETROCHEMICAL TECHNOLOGY1256环形波节螺旋管流动与传热特性研究于三川，李雅侠，张呈杰，王 鑫（沈阳化工大学 机械与动力工程学院，辽宁 沈阳 110000）摘要提出了一种新型的强化传热装置环形波节螺旋管，以水为工作介质，采用数值模拟方法研究内部流体在层流状态下的流动与传热特性，并考察了波节间距（H）与波节高度（E）的影响。模拟结果表明，环形波节结构对管内流体周期性的扰动有利于破坏边界层，改善管内速度场与温度场，促进管内流体的混合，实现传热强化，特别是波节弧形段尾端区域强化传热效果显著。与相同尺寸的光滑螺旋管相比，环形波节螺旋管的流动阻力损失有所增加，但综合强化传热效果明显提高，研究范围内，E=2 mm，H=55.5 mm 时的综合强化传热效果最佳，综合热性能评价指标最高可达 1.19。关键词螺旋管；强化传热；波节管；数值模拟文章编号1000-8144（2023）09-1256-06 中图分类号TQ 018 文献标志码AResearch on flow and heat transfer characteristics of annular corrugated helical tubeYU Sanchuan，LI Yaxia，ZHANG Chengjie，WANG Xin（School of Mechanical and Power Engineering，Shenyang University of Chemical Technology，Shenyang 110000，China）AbstractA new type of enhanced heat transfer deviceannular corrugated helical tube is proposed.Using water as the working fluid，the flow and heat transfer characteristics of the internal fluid in the laminar flow state are studied by numerical simulation method，and the effects of corrugation pitch(H)and corrugation height(E)are investigated.The results show that the periodic disturbance of the annular corrugated structure on the fluid in the tube is beneficial to destroy the boundary layer，improve the velocity field and temperature field in the tube，promote the mixing of fluids in the tube，and realize the heat transfer enhancement.Especially，the enhanced heat transfer effect in the end area of the corrugated nodes is remarkable.Compared with the smooth helical tube of the same size，the flow resistance loss of the annular corrugated helical tube is increased，but the comprehensive heat transfer enhancement effect is obviously improved.In the research range，the comprehensive heat transfer enhancement effect is the best when E=2 mm，H=55.5 mm，and the comprehensive thermal performance evaluation index value is up to 1.19.Keywordshelical tube；enhanced heat transfer；corrugated tube；numerical simulationDOI：10.3969/j.issn.1000-8144.2023.09.011收稿日期2023-04-28；修改稿日期2023-06-20。作者简介于三川（1999），男，辽宁省沈阳市人，硕士生，电话 [phone]，电邮 。联系人：李雅侠，电话 [phone]，电邮 。基金项目国家自然科学基金项目（51506133）；辽宁省自然科学基金项目（2019MS259）；辽宁省教育厅一般项目（LJ2020037）。提高换热器的传热效率对工业过程的节能降耗至关重要1。螺旋管式换热器具有结构紧凑、耐高压、制造方便和换热面积大等优点，而被广泛应用于石油、化工、核电、能源动力等众多工业领域2-3。螺旋管作为螺旋管式换热器的基本传热元件，传热效率的高低直接影响了换热器的性能，因此关于螺旋管内部流体的传热机制与流动特性的研究一直是近几十年来的热点问题。螺旋管由于离心力的影响会产生与主流方向垂直的二次流动使其传热效率明显高于直管。螺旋管在强化传热方面第 9 期1257仍然具有很大的潜力，若要进一步提高螺旋管的传热效果，可从改善管内流场结构，促进主流流体与壁面处流体的混合或提高流体的湍流强度等方面入手，因此学者们开始将不同的强化传热技术应用于螺旋管，其中增加波纹壁面结构就是基于被动式强化传热技术而提出的强化螺旋管传热性能的手段4-5。Li 等6提出在螺旋管壁面增加螺旋波纹以实现传热强化，数值模拟结果表明，螺旋波纹结构诱导管内流体产生旋流流动，能够有效促进流体的掺混，进而实现强化传热。研究范围内与光滑螺旋管相比，传热系数提升了 50%80%，但流动阻力损失增加了 50%300%。Wu 等7基于“场协同原理”揭示了螺旋波纹壁面强化螺旋管传热的机理，研究结果表明，螺旋波纹壁面结构的存在能够改善速度场与温度场的协同性能，研究范围内与光滑螺旋管相比，螺旋波纹螺旋管的传热性能提高了约 20%50%，但压降增大了约 100%。可见湍流条件下，尽管连续分布的螺旋波纹能够进一步提高螺旋管的传热效果，但流动阻力增加显著，因此综合强化传热效果并不理想。Darzi 等8研究发现，与光滑螺旋管相比，层流条件下螺旋槽纹螺旋管的综合热性能评价指标（PEC）均大于 1，说明层流条件下波纹结构对螺旋管的综合强化传热效果优于湍流，这主要是由于层流条件下边界层较厚，波纹结构对边界层的破坏效果相对而言更为显著，同时层流条件下波纹结构引发的附加流动阻力相对较小的缘故。Zhang 等9研究了具有间断分布的球形波纹壁面对螺旋管的强化传热效果，数值研究结果表明，波纹的周期性扰动有利于增强壁面流体与主流流体的混合，实现传热强化同时流动阻力的增加幅度较小，因此 PEC 大于 1。可见间断式的波纹结构更利于实现螺旋管内流体的强化传热。基于上述研究，本课题组提出了采用间断分布的环形波节强化螺旋管内流体传热的方法。已有研究结果表明，将环形波节结构应用于直管道可获得较好的强化传热效果10-12。环形波节易于制造加工，同时产生的附加流动阻力相对较小。目前将环形波节应用于螺旋管实现强化传热的相关研究还没有见到，因此有必要开展相关的研究，以进一步获得螺旋管高效低阻的传热强化。本工作提出采用环形波节强化螺旋管内流体传热，并考察了层流状态下环形波节螺旋管内流体流动与传热特性，研究结果可为螺旋管相关传热设备的性能优化与技术创新提供参考。1 模型的建立1.1 几何模型图 1 为环形波节螺旋管的物理模型。主要设计参数包括缠绕圈数（N）、螺旋直径（D）、管径（d）、螺距（P）、波节间距（H）以及波节高度（E），其中 H 按式（1）计算。NH=(D)2+P2n+1（1）式中，n 为环形波节数量。数值模拟所用具体模型结构尺寸参数取值见表 1。表 1 模型结构尺寸Table 1 Model structural dimensionsStructural parameterNumerical valueNumber of coils(N)Helical diameter(D)/mmTube diameter(d)/mmPitch(P)/mmThe number of corrugated nodes(n)Corrugation pitch(H)/mmCorrugation height(E)/mm43002040188，68，36，2420.1-157.12，3，41.2 模拟方法与边界条件基于 SolidWorks 软件建立了环形波节螺旋管的物理模型，并使用 Gambit 软件进行网格划分，采用 ANSYS Fluent 16.2 软件对环形波节螺旋管内流体层流流动和传热进行数值模拟。使用SIMPLEC 算法处理压力和速度的耦合，动量和能量方程的离散均采用二阶迎风格式，计算残差值设定小于 10-5。边界条件设置为：入口采用速度入口，流体入口温度为 293 K；出口采用压力出口边界条件，相对压力设置为 0；壁面采用恒定壁面温度边zoPDInlet=1 440=1 080=720=360(=0)EHdx图 1 环形波节螺旋管物理模型Fig.1 Physical model of annular corrugated helical tube.：rotation angle.于三川等.环形波节螺旋管流动与传热特性研究2023 年第 52 卷石油化工PETROCHEMICAL TECHNOLOGY1258界条件为 353 K。1.3 参数定义本工作中用于表征流体流动与传热特性的无量纲参数为 Re、流动阻力系数（f）及传热壁面平均 Nu 等。采用 PEC 考察环形波节结构对螺旋管的综合传热性能，见式（2）。Nu/Nu0PEC=13(f/f0)（2）式中，Nu0为光滑螺旋管的努塞尔数；f0为光滑螺旋管的流动阻力系数。1.4 网格独立性与模型准确性验证采用六面体网格划分环形波节螺旋管计算区域，为了提高计算精度对边界层附近的网格进行了局部加密处理，如图 2 所示。为了消除网格数量对结果的影响，对不同网格系统的独立性进行了考核，研究结果表明，358104的网格系统可满足计算精度的要求。上的速度云图。由图 4 可知，两种螺旋管具有相似的速度分布情况，速度云图均呈马鞍形，受离心力的影响，两种管靠近外壁侧的速度梯度总是大于内侧，最大速度位置也靠近外壁侧。由于环形波节的存在，流体流经环形波节螺旋管时会受到周期性的扰动，因此横截面靠外壁侧的速度梯度要大于相同位置处的光滑螺旋管，高流速区域相对增加，且最大速度与范围也有较大提升。ab图 2 局部（a）以及入口（b）的截面网格Fig.2 Section grid of local(a)and inlet(b).本工作采用光滑螺旋管对数值模拟方法的准确性进行验证，并将结果与 Dravid 等13-14所得的层流状态下光滑螺旋管内Nu与f的预测关联式（3）和式（4）进行对比，结果如图3所示。由图3可知，模拟值与经验公式结果具有良好的一致性，Nu 最大偏差为 6.69%，f 最大偏差为 2.21%，说明所采用的数值模型与模拟方法是可靠的。Nu=(0.76+0.65De0.5)Pr0.175（3）ffs=1+0.09De1.5/(70+De)（4）式中，fs为直管的流动阻力系数。2 计算结果分析2.1 流动传热机理分析2.1.1 流动特性分析图 4 为光滑螺旋管和环形波节螺旋管在横截面Re9001 0501 2001 3501 5001 6501 8001 9502 1000.080.090.100.110.120.130.140.15f1314151617181920212223Nuabcd图 3 光滑螺旋管的模拟值与经验值对照Fig.3 Comparison between simulation values and experience values of smooth helical tube.a Nu experience value by Ref.13；b Nu simulation value；c f experience value by Ref.14；d f simulation valuef：coefficient of flow resistance.Velocity/(m?s?1)00.01 0.02 0.03 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.10 0.11 0.13 0.14 0.15 0.16ab图 4 光滑螺旋管（a）与环形波节螺旋管（b）在横截面上的速度云图Fig.4 Velocity cloud images on cross section of smooth helical tube(a)and annular corrugated helical tube(b).Conditions：Re=2 000，E=2 mm，H=55.5 mm，=1 170(fully developed section).图 5 为光滑螺旋管和环形波节螺旋管在螺旋展向截面上的速度云图。由图 5 可知，光滑螺旋管内流体的速度分布较均匀，而对于环形波节螺旋管，流道截面周期性的膨胀与收缩会对管内流体产生第 9 期1259周期性的干扰，因此沿轴线方向的速度呈现出周期性的分布，截面内的平均速度与光滑螺旋管相比提升显著，且近壁区的速度梯度明显增大，这有利于破坏边界层，实现强化传热。部努塞尔数（Nulocal）的分布云图。由图 7a 可知，与波节弧形段前端相比，弧形段尾端的 Nulocal更大，说明传热效果更好，这主要是由于流体质点冲击尾端壁面以及在弧形段内产生回流所引起的。图 7b 给出了沿流动方向，不同位置横截面圆周方向上的平均局部努塞尔数（Nulocal m）变化曲线。由图 7b 可知，与光滑螺旋管相比，环形波节螺旋管相应的 Nulocal m显著提高，说明环形波节结构对螺旋管具有很好的强化传热效果。由图 7b 还可知，Nulocal m分布存在周期性波动，峰值和谷值分别位于波节弧形段尾端和中心位置。Velocity/(m?s?1)00.01 0.02 0.03 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.10 0.11 0.13 0.14 0.15 0.16ab图 5 光滑螺旋管（a）与环形波节螺旋管（b）在螺旋展向截面上的速度云图Fig.5 Velocity cloud images on spreading section of smooth helical tube(a)and annular corrugated helical tube(b).2.1.2 传热特性分析图 6 为光滑螺旋管和环形波节螺旋管在横截面上的温度云图。由图 6 可知，相对于光滑螺旋管，环形波节螺旋管截面内的温度分布更均匀，平均温度更高，且内侧壁面附近处的温度梯度明显增大。这主要是由于环形波节壁面结构的周期性扰动能有效破坏边界层，促进壁面处流体与主流流体的相互混合。图 7a 为环形波节螺旋管充分发展段壁面上局Temperature/Kab293.0 298.0 303.0 308.0 313.0 318.0 323.0 328.0 333.0 338.0 343.0 348.0 353.0图 6 光滑螺旋管（a）与环形波节螺旋管（b）横截面上的温度云图Fig.6 Temperature cloud images on cross section of smooth helical tube(a)and annular corrugated helical tube(b).Conditions：Re=2 000，E=2 mm，H=55.5 mm，=1 170(fully developed section).Flow directionaNulocal012.1 24.2 36.3 48.3 60.4 72.5 84.6 96.7 108.8120.8132.9145.0b1 0501 0601 0701 0801 090Valley1Valley2Annular corrugated helical tubeSmooth helical tubePeak1Peak216243240485664Nulocal m/?图 7 环形波节螺旋管 Nulocal分布云图（a）与 Nulocal m变化曲线（b）Fig.7 Local Nusselt number(Nulocal)distribution cloud image(a)and average local Nusselt number Nulocal m change curves(b)of annular corrugated helical tube.2.2 结构参数对流动与传热特性的影响2.2.1 H 的影响图 8 为 H 对 f，Nu，PEC 的影响。由图 8 可知，与光滑螺旋管相比，环形波节螺旋管的传热能力明显提升，研究范围内 H 越小，相应的 Nu 越大。原因为较小的 H 带来的扰动性更强。此外，H于三川等.环形波节螺旋管流动与传热特性研究2023 年第 52 卷石油化工PETROCHEMICAL TECHNOLOGY1260越小，波节数量越多，也在一定程度上增加了传热面积。然而 H 越小 f 越大，研究范围内 Nu 提高了6.3%38.8%，f 增大了 6.9%81.1%。研究范围内 PEC 均大于 1，说明环形波节结构对螺旋管具有很好的综合强化传热效果，H=55.5 mm 的波节管具有最佳的综合强化传热效果。2.2.2 E 的影响图 9 为 E 对 f，Nu，PEC 的影响。由图 9 可知，研究范围内，随着 E 的增加，Nu 先增大后减小，即存在最佳的 E 使得强化传热效果达到最佳。这可能是由于随着 E 的增加，波节壁面结构引起的扰动先是逐渐增强，强化传热能力提升，但当 E增加到一定值时，波节处的流体将由于速度突降，0.080.100.120.140.160.180.200.220.24f1 0001 2001 4001 6001 8002 000Re1.001.021.041.061.081.101.121.141.161.181.20PEC1 0001 2001 4001 6001 8002 000Re1 0001 2001 4001 6001 8002 0001214161820222426283032NuRe图 8 H 对流动与传热特性的影响Fig.8 Effect of H on flow and heat transfer characteristics.Condition：E=2 mm.PEC：thermal performance evaluation index.H=20.1 mm；H=55.5 mm；H=104.8 mm；H=157.1 mm；Smooth helical tube失去较多动能无法进行再循环，形成部分流动死区，弱化传热效果。对比图 9 与图 8 可知，E 的改变对环形波节螺旋管传热效果的影响要明显弱于 H的影响，这与 Darzi 等15的实验结果一致，他们发现与 E 相比 H 对直管内传热增强的影响更大。由图 9 还可知，随着 E 的增大，阻力逐渐增大。在研究范围内，PEC 最高可达 1.19。3 结论1）环形波节结构能对螺旋管内流体产生周期性的扰动，有助于破坏边界层，改善螺旋管内原有的速度场与温度场，利于实现显著的传热强化。2）环形波节弧形段尾端区域的强化传热效果优于弧形段前端区域。3）与 E 相比，H 变化对强化传热的影响效果更显著。随着 H 的减小，Nu 与 f 均提高，PEC 先1214161820222426283032Nu1 0001 2001 4001 6001 8002 000Re0.080.100.120.140.160.180.200.22f1 0001 2001 4001 6001 8002 000Re0.981.001.021.041.061.081.101.121.141.161.181.20PEC1 0001 2001 4001 6001 8002 000Re图 9 E 对流动与传热特性的影响Fig.9 Effect of E on flow and heat transfer characteristics.Condition：H=55.5 mm.E=2 mm；E=3 mm；E=4 mm；Smooth helical tube增大后减小；随着 E 的增大，Nu 先增大后减小，f逐渐增大，而 PEC 逐渐降低。4）在研究范围内，E=2 mm、H=55.5 mm 时环形波节螺旋管具有最佳的综合强化传热效果，PEC最高可达 1.19。参 考 文 献1 李洪丞，曹华军，刘兰微，等.碳达峰碳中和背景下低碳制造研究现状与技术路径研究 J.机械工程学报，2023，59第 9 期1261（7）：225-240.2 孙崇帅，姜恒，宫红，等.炼油厂酸性水汽提装置换热器及汽提塔塔盘积垢的分析 J.石油化工，2016，45（6）：719-724.3 张伟，王宗勇，王超，等.射流角度对三角形螺旋夹套传热性能的影响 J.石油化工，2023，52（1）：49-55.4 白博峰，郭烈锦，冯自平，等.卧式螺旋管内紊流传热 J.化工学报，1997（1）：16-21.5 LI Y X，YU Q，YU S，et al.Numerical investigation and mechanism analysis of heat transfer enhancement in a helical tube by square wave pulsating flow J.Heat and Mass Transfer，2023，59（1）：21-37.6 LI Y X，WU J H，WANG H，et al.Fluid flow and heat transfer characteristics in helical tubes cooperating with spiral corruga-tion J.Energy Procedia，2012，17：791-800.7 WU Z，QIAN C.Numerical investigation of fluid flow and heat transfer characteristics in helical tube with spiral corrugationsC/Journal of Physics.Beijing：IOP China Publishing，2020：042114.8 DARZI A A 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