射流管插入深度对螺旋通道传热性能的影响.pdf

第 51 卷 第 1 期2024 年北京化工大学学报(自然科学版)Journal of Beijing University of Chemical Technology(Natural Science)Vol.51,No.12024引用格式:韩旭,王宗勇,张伟,等.射流管插入深度对螺旋通道传热性能的影响J.北京化工大学学报(自然科学版),2024,51(1):12-22.HAN Xu,WANG ZongYong,ZHANG Wei,et al.Influence of the jet tube insertion depth on the heat transfer performanceof a spiral channelJ.Journal of Beijing University of Chemical Technology(Natural Science),2024,51(1):12-22.射流管插入深度对螺旋通道传热性能的影响韩摇 旭摇 王宗勇*摇 张摇 伟摇 王摇 超摇 刘摇 磊(沈阳化工大学 机械与动力工程学院,沈阳摇 110142)摘摇 要:为了揭示射流管插入深度对螺旋通道传热性能的影响规律,采用数值模拟方法对不同相对插入深度(啄=0 0郾 625)下通道内流场特性和强化换热特性进行了分析。结果表明:随着 啄 的增大,射流核心区到达外壁面的距离变短,在射流入射位置处射流管两侧的二次涡范围扩大,流体对上下壁面的冲击作用增强;上、下传热壁面的局部努赛尔数 Nuc随着 啄 的变化规律基本相同,最佳传热位置(Nuc最大的位置)随着 啄 的增大向外壁面靠拢;内壁面的 Nuc在射流管壁内侧范围随着 啄 的增大而减小,在外侧范围随着 啄 的增大而增大;射流管插入深度增加对螺旋通道外壁面传热性能提高的效果最为明显;截面努赛尔数 Nu兹随着螺旋角度 酌 的增大呈现 3 个变化区域,即入口区域、射流影响区域和出口区域,其中入口区域和出口区域的 Nu兹随着 酌 的变化保持稳定,但出口区域的 Nu兹比入口区域高 19%左右,Nu兹最大值位于射流入射点下游 5毅左右的位置;在螺旋角度 酌=-15毅 45毅的范围内射流对传热的影响最大,传热的影响范围基本与射流管的插入深度无关;综合换热评价指标(PEC)随着 啄 的增加呈现先增大后减小的变化规律,啄=0郾 250 是螺旋通道最佳的综合传热性能结构参数。关键词:数值模拟;螺旋通道;射流管;传热性能中图分类号:TK124摇 摇 DOI:10.13543/j.bhxbzr.2024.01.002收稿日期:2023-01-05基金项目:辽宁省教育厅基础研究项目(LJ2020014)第一作者:男,1995 年生,硕士生*通信联系人E鄄mail:syuctwzy 引摇 言螺旋通道在航空、电力、石油和化工等领域已有广泛的应用1。矩形截面的螺旋通道可用型钢或钢带冲压后缠绕形成,由于其具有良好的传热效果,因此人们对螺旋通道的应用及数值模拟进行了较为广泛的研究2-4。在矩形截面螺旋通道的物理模型中,通道内部流体的传热及流动性能与螺旋通道的曲率、扭率、高宽比等参数密切相关。Sakalis 等5研究得出扭率值不同会使二次流的两个离心涡的对称性发生变化,同时扭率值增大会使阻力系数增大。Bolinder 等6发现当雷诺数 Re 增加时,流体的二次流受曲率的影响较大,当高宽比大于 1 时,扭率对流动的影响更大。但上述研究均局限于层流。邢云绯等7对比了不同曲率和扭率下矩形截面螺旋通道内侧和外侧壁面对流换热的差异,发现扭率和曲率对内外壁面传热效果的影响较小。Poskas 等8研究了双壁面加热矩形螺旋通道内空气流的传热特性,发现湍流状态下增大曲率对于流体扰动效果的提升不明显。随着强化传热技术的不断提高,复合强化传热方式的应用越来越广泛,研究表明通过安装涡流发生器产生纵向涡旋来改变换热壁面附近处二次流场分布是一种有效的强化传热方法9-10。但涡流发生器不仅会对流体流动带来较大的阻力,而且极易脱落造成通道堵塞。射流冲击作为一种主动式强化换热方式,其提高局部换热的作用十分明显11,广泛应用于电子设备及内燃机的冷却12-13。李雅侠等14-15采用一种全新的强化传热方式 射流旋流耦合传热强化,将射流管安装在矩形螺旋通道的外侧,研究了射流强化后矩形截面螺旋通道内流体的流动特性,并揭示了射流强化矩形螺旋通道传热的机理。结果表明:在矩形螺旋通道中加入射流后,不仅可以利用射流的冲击作用来强化传热,而且还可以通过诱导涡旋来破坏换热面的边界层从而强化传热;此外,射流明显改善了矩形螺旋通道换热壁面附近处速度场与温度场的协同性,从而实现强化换热的效果。在化工领域,硝化、氯化及氧化反应是典型的剧烈放热反应,存在反应易失控、副产物多、生产效率低等缺点。为此,一些学者对传统的间歇釜式滴加反应工艺进行了改进,利用大尺寸管式反应器替代反应釜,实现了生产过程的连续、高效、可控16-17。为了能够快速移出反应热,反应器采用内外双重同时换热的方式,即外部利用套管夹套,内部应用螺旋盘管。螺旋盘管及其固定连接件在实现换热作用的同时,可以对反应物料起到扰流混合作用,从而提高产品质量。采用矩形截面螺旋盘管能够充分利用反应器的内部空间,同时便于连接固定以及安装射流管。目前利用射流强化矩形螺旋通道传热的研究较少,尤其对于射流管插入深度的研究还未见报道,射流与旋流耦合流动的传热强化机理还不够清楚,从而阻碍了矩形截面螺旋通道的结构设计及工程应用。为此,本文采用数值模拟方法对矩形截面螺旋摇 摇 摇通道内射流作用下的传热和流动特性进行了研究,揭示了射流管插入深度对螺旋通道传热和流动的影响规律,旨在为矩形截面螺旋通道的结构设计提供技术支持和理论参考。1摇 物理模型本文建立的矩形截面螺旋通道的物理模型如图1 所示。图中:螺旋半径 Rc=150 mm;螺距 H=40 mm;螺旋通道盘绕 3 圈(即进出口间螺旋夹角 兹为 6仔);螺旋通道的高度 a=15 mm,宽度 b=20 mm,高宽比为 a/b;射流管直径 d=8 mm;定义射流管相对插入深度 啄=c/b,其中 c 为射流管位于螺旋通道内的长度;射速比即射流与螺旋主流的平均流速之比 Rj=2郾 5,其中螺旋主流的流速范围为0郾 41 0郾 99 m/s。根据文献7的研究结果可知,在湍流状态下,流体在矩形截面螺旋通道内螺旋流动一圈后已进入充分发展的稳定流动状态,为了消除未充分发展段对射流传热特性的影响,本文将射流管设置在距离通道入口螺旋角 兹=2郾 5仔 的位置处,分析 啄=0 0郾 625 范围内以 0郾 125 为间隔的 6 种射流管插入深度对螺旋通道内传热效果的影响。图 1摇 矩形截面螺旋通道模型Fig.1摇 Rectangular cross鄄section spiral channel model摇2摇 数学模型及数值模拟方法2郾 1摇 数学模型以不可压缩流体水为工质,假定流动状态为稳态流动,采用计算流体力学软件 Fluent 进行模拟,由于 Realizable k-着 模型较其他 k-着 模型在处理流动分离和复杂的二次流动方面具有更好的效果,并且计算的准确性更高18,因此本文采用 Realizablek-着模型进行数值模拟。流体域的连续性方程、动量方程和能量方程如下。31第 1 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 韩摇 旭等:射流管插入深度对螺旋通道传热性能的影响连续性方程鄣ui鄣xi=0(1)动量方程鄣鄣xj(籽uiuj)=-鄣p鄣xi+鄣鄣x(j滋鄣ui鄣xj-籽 u忆iu忆)j(2)湍流动能耗散率方程鄣鄣xj(籽着uj)=鄣鄣x(j滋+滋t滓)着鄣着鄣xj+籽kC1S着-籽C2着2k+v着(3)能量方程鄣(籽uicpT)鄣xi=鄣鄣xi(姿+姿t)鄣T鄣xj(4)式中:u 为流体速度,m/s;滋 和 滋t分别为流体的动力黏度和湍流黏度,Pa s;籽 为流体的密度,kg/m3;p 为压力,Pa;cp为定压比热容,J/(kg K);着 为湍流耗散率;k 为湍动能,m2/s2;T 为温度,K;v 为流体的运动黏度,m2/s;姿 为流体的导热系数,W/(mK);姿t为湍流热导率,W/(m K);C1、C2为常数;滓着为 着 对应的 Prandtl 数;S 为平均应变率张量的模量。螺旋通道的射速比 Rj、雷诺数 Re、当量直径 dh、螺旋线长度 L、阻力系数 f、换热壁面平均努赛尔数Num以及初始湍流强度 I 的定义式如下。Rj=umjum(5)Re=籽umdh滋(6)dh=2aba+b(7)L=3(2仔Rc)2+H2(8)f=2驻pdh籽Lu2m(9)Num=hdh姿(10)I=0郾 16Re-1/8(11)式中:umj为螺旋通道射流管入口截面的平均速度,m/s;对于不加射流管的单一螺旋通道,um为主流入口截面的平均速度,m/s;对于射流影响后的螺旋通道,um为总流量与矩形截面面积之比,m/s;驻p 为螺旋通道出口和入口的压力差,Pa;h 为对流换热系数,W/(m2 K)。2郾 2摇 数值模拟方法和网格独立性检验螺旋通道主流入口与射流管入口设定为均匀速度边界条件,温度恒定为 293 K,螺旋通道出口设定为自由流出边界条件,螺旋通道 4 个壁面均为恒壁温传热壁面(Tw=353 K)。压力和速度耦合的求解采用 SIMPLEC 算法,压力采用标准差分格式,其余均采用二阶迎风差分格式,近壁面处采用标准壁面函数进行运算处理(30 y+0毅表示射流入射点的下游截面,酌 0毅表示射流入射点的上游截面。由图 5 可以看出,在射流上游(酌=-10毅),通道内流体流线呈“Z冶形,并且在左上角和右下角的位置出现两涡结构,这种流动的特点主要是由螺旋通道的曲率和挠率决定的,基本没有受到射流的影响。截面内绝大部分区域的流线表现为右斜向上流动,这是流体受到离心作用以及螺旋升角的抬升作用的结果,而两个螺旋二次涡是在主流的推动和壁面的阻碍联合作用下产生的,表现为左上螺旋涡为逆时针旋向,右下螺旋涡为顺时针旋向,并且左上螺旋涡的影响范围明显大于右下螺旋摇 摇 摇图 5摇 射流入射点附近螺旋通道不同截面的流线分布图Fig.5摇 Streamline distribution of different sections of the spiral channel near the jet incident point51第 1 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 韩摇 旭等:射流管插入深度对螺旋通道传热性能的影响涡,其原因是该螺旋通道内流体受到的离心作用大于抬升作用。在 酌=0毅的射流入射位置,射流完全改变了截面内流体的流动特性,流体主要表现为从内壁面到外壁面的横向流动,出现了 3 个螺旋二次涡区域,分别位于左上、左下及右下 3 个角点位置。其中,左上涡和左下涡是由射流高速射向螺旋主流后卷吸流体向外壁流动时在入射位置两侧形成低压区造成的,而右下涡是由射流卷吸和壁面阻碍作用形成的。在 酌=5毅的位置,可以明显看出在射流入射截面的 3 个不够明显的二次涡已经发展壮大,并逐渐相互靠拢,其原因是随着流动长度的增加,射流的卷吸作用由于流体的黏滞耗散而不断减弱,在螺旋主流的带动作用下涡旋强度不断增强,导致射流的势流核心区产生弯曲变形,射流核心区边缘形成的低压区范围增大,为涡旋发展提供了空间,同时也使外壁面附近产生了一定程度的从外壁面向内壁面的横向流动。在 酌=10毅的位置,涡旋强度有所减弱,并且由 3 个涡演变为 2 个涡,流体基本表现为从外壁面向内壁面的横向流动,说明射流影响的末尾阶段与上游相比主要强化了内壁面的流动状况。随着流动长度的不断增加,当 酌=90毅和 180毅时,两个涡旋的位置由 酌=10毅时的上下排列转变为在内外两侧壁面中心位置处分布,这种流动特点主要是因为通道内射流流体加入后经过一段时间的发展逐渐趋于平稳,此时通道内流体受离心力的影响较大,故涡旋再次于外壁面附近产生。与 酌=-10毅时相比,两个涡旋的位置都更靠近壁面中心处,这是因为由于射流的冲击导致通道内流体的整体速度增大,而射流的冲击位置位于外壁面中心处,通道内主流流体受其诱导而导致横截面中心处速度较大,故在射流与主流流体混合后,两个涡旋的位置更加靠近两侧壁面的中心。而 酌=180毅时内壁面附近的涡旋相较 酌=90毅时略有增大,原因是 酌=180毅时通道的流体速度更大,通道内离心作用更强。螺旋通道内的涡旋会破坏换热面的边界层从而达到强化传热的目的,故当射流与主流混合,通道流动状态趋于稳定后,螺旋通道的强化传热效果会逐渐增强。3郾 2摇 射流管插入深度对螺旋通道截面流线及速度分布的影响图 6 为射流管不同插入深度 啄 下螺旋通道截面的流线分布图(酌=0毅)。由图 6 可知,随着 啄 增大,射流核心区到达外壁面的距离变短,射流对外壁面的冲击效果增强,射流管中心处流线与外壁面更趋于垂直状态,右下的二次涡逐渐衰减并最终消失,但同时射流管两侧的二次涡范围增大,提升了流体对上下壁面的冲击作用。图 7 为射流入射点处螺旋通道密切面内的速度等值线云图。由图 7 可知:随着 啄 增大,射流核心区的弯曲程度减小,射流对外壁的冲击作用增强,冲击速度明显增大;随着 啄 增大,射流对于螺旋主流的阻碍作用也相应增强,可以看出射流上游和下游的低速区域变大,尤其是内壁附近更为明显,说明增大射流管的插入深度在增强外壁面传热性能的同时也会在一定程度上削弱内壁面的传热性能,由此可以判断,从最佳传热效果的角度考虑,射流管的插入深度应该存在一个临界值。图 6摇 射流管不同插入深度 啄 下通道截面的流线分布图(酌=0毅)Fig.6摇 Streamline distribution of the channel cross section at different insertion depths 啄 of the jet tube(酌=0毅)摇3郾 3摇 射流管插入深度对流体阻力系数的影响相对于无射流螺旋通道而言,射流在改善传热壁面流动状况的同时,也必然会使流道内的流体阻力增加。图 8 为射流管不同插入深度下螺旋通道内61北京化工大学学报(自然科学版)摇 摇 摇 摇 摇 摇摇摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 2024 年图 7摇 射流入射点处螺旋通道密切面内的速度等值线云图Fig.7摇 Velocity contour cloud diagram in the osculateplane of the spiral channel at the jetincident point摇的流体阻力系数 f 随雷诺数 Re 的变化曲线。由图8可知:在不同射流管插入深度下,阻力系数随雷诺数的变化规律基本相同,均随着 Re 的增大而按照某种图 8摇 射流管不同插入深度 啄 下螺旋通道内的流体阻力系数 f 随雷诺数 Re 的变化曲线Fig.8摇Variation curves of the fluid resistance coefficient fwith Reynolds number Re in the spiral channel at dif鄄ferent insertion depths of the jet tube非线性规律减小;在 Re 相同的情况下,阻力系数 f随着插入深度 啄 的增大而增大,这是因为首先插入通道内的射流管壁面对主流流体的流动形成了一定的阻碍,其次射流管插入深度的变化会直接影响射流流体与外侧壁面的作用距离,射流管插入深度越深,射流流体对壁面的冲击就越强,所产生的压力就越大,从而形成较大的阻力。根据结果拟合出 f 与Re 和 啄 的关联式,如式(13)所示,平均误差为3郾 05%,适用范围为 0 啄臆0郾 625。f=1郾 633Re-0郾 377啄0郾 019 6(13)3郾 4摇 强化换热特性分析3郾 4郾 1摇 螺旋角度对壁面局部努赛尔数的影响为了探究在射流作用下各传热壁面的对流换热状况,定义局部努赛尔数 Nuc20为Nuc=dh(姿qTw-T)b(14)式中:Tw与 Tb分别为换热壁面温度和截面平均温度,q 为壁面局部热流密度,dh为物理模型的当量直径。图 9 为 啄=0 时不同螺旋角度下螺旋通道各壁面的局部努赛尔数 Nuc,其中横坐标 y/b 和 z/a分别代表螺旋通道截面的宽度和高度的相对局部坐标,0臆y/b臆1,-0郾 5臆z/a臆0郾 5。由图 9(a)(b)可知,上、下壁面的对流换热规律基本相同,射流上游的最佳换热位置位于外壁面附近,而射流下游的最佳传热位置位于内壁面附近,此外射流入射点的位置并不是传热的最佳位置,而是其下游某一位置,超过该位置传热性能开始下降,该位置与射流管的插入深度有关,在 啄=0 时 Nuc最大值的位置位于 酌=5毅附近。由图 9(c)可知,内壁面上的局部努塞尔数 Nuc呈现“M冶形,在靠近射流管壁处获得最佳换热效果,而靠近射流管轴线和上下角点处的换热效果相应下降,这两个位置传热效果较差的原因是前者处于两涡旋分界线与内壁面的交点位置,越靠近交点,近壁面速度方向与壁面法线的夹角越大,传热效果越差,而后者位于内壁面与上、下壁面所形成的角点位置,越靠近角点,流体速度越低,换热能力越差。由图 9(d)可以看出,外壁面上局部努塞尔数 Nuc呈拱形,上下角点附近 Nuc的分布规律与内壁面相似,均为靠近射流管轴线和上下角点处流体的换热能力较弱。结合图 5 对图 9(d)进行分析,当 酌=0毅时在射流的冲击作用下螺旋通道横截面的流线分布从原来的右斜向上流动转变为从内壁面到外壁面的横向流动,流线方向与 z 轴方向的夹角变大,致使外壁面中心处受到射流的冲击效果变强,这样更有利于实现外壁面的强化换热;当 酌=5毅时,在射流的卷吸作用下螺旋通道区域的流线方向呈现从外壁面到内壁面的横向流动,且二次涡旋的位置均向内壁面偏移,此时螺旋通道内二次涡旋的影响范围较大,导致酌=5毅时外壁面 Nuc值的变化幅度较大;当 酌=10毅时,螺旋通道内的涡旋数量由 3 个转变为 2 个,此时射流对流体的卷吸作用减弱,外壁71第 1 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 韩摇 旭等:射流管插入深度对螺旋通道传热性能的影响图 9摇 不同螺旋角度 酌 下传热壁面的局部努赛尔数 Nuc(啄=0)Fig.9摇 Local Nusselt number Nucof the heat transferwall at different spiral angles(啄=0)摇面附近的流线分布趋于稳定,Nuc在外壁面上的分布也随之趋于平稳。3郾4郾2摇 射流管插入深度对壁面局部努赛尔数的影响为了分析射流管插入深度对传热壁面局部换热的影响,绘制了不同插入深度下传热壁面的局部努赛尔数 Nuc曲线(酌=5毅),如图10 所示。由图10(a)和(b)可知,上、下壁面的传热状况基本相同,随着射流管插入深度 啄 值的增大,传热性能提高,传热的最佳位置逐渐向外壁靠拢,这是因为 啄值增大时,对外壁的冲击强度增强,在外壁的阻挡分流作用下,对上下壁的冲击作用也相应增强,提高了传热温度梯度,啄=0郾 625 时 Nuc的最大值与啄=0 时相比提高了约 145%(图 10(a),说明射流管的插入深度对于螺旋通道上、下壁面传热性能的强化效果十分显著。从图 10(c)中可以看出:在内壁面的射流管切面高度范围内,啄 值越大 Nuc值越小,这是因为射流管插入深度的增加会使射流的核心区域远离内壁面,而射流管下游内壁面附近的流体受到射流管的阻碍作用增强,导致该区域流体的湍动程度减弱,传热效果变差;而在射流管以外内壁的高度范围内,Nuc值随 啄 值的增大而增大,这是因为增大插入深度可以减小射流出口处的流通面积,提高射流出口区域的流速,导致射流对射流管外侧内壁面的冲击作用增大,因此传热效果提高。从图 10(d)中可以看出,射流管插入深度的增加对螺旋通道外壁面传热性能的提高效果最为明显,在外壁面中心处 啄=0郾 625 时Nuc相较于 啄=0 时提高了 349%,这是因为 啄 值越大,射流的核心区域越靠近螺旋通道的外壁面,致使外壁面传热性能的强化效果较为显著,尤其是外壁面中心处的效果最为明显。同时,从图 7 中也可以看出,射流管的插入深度越深,射流对螺旋通道外侧壁面的冲击效果越强,近外侧壁面附近射流与旋流耦合的速度越大,致使射流具有更强的穿透能力,更容易直接冲击外侧换热壁面,能够迅速减薄边界层厚度并破坏边界层,从而有利于强化换热。由图 10(d)还可以看出,啄=0郾 125 时相较于 啄=0 时 Nuc的增长幅度较小,这是因为当射流管的插入深度较短时,由于矩形结构高宽比的影响,射流核心区域在受主流影响下在到达外壁面的过程中湍动程度不断被削弱,导致外壁面的强化传热并不能达到理想效果。综上所述可以看出,射流管插入矩形截面螺旋通道内一定深度后,对螺旋通道各个壁面传热性能的强化效果均81北京化工大学学报(自然科学版)摇 摇 摇 摇 摇 摇摇摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 2024 年有不同程度的提高。图 10摇 射流管不同插入深度 啄 下传热壁面的局部努赛尔数 Nuc(酌=5毅)Fig.10摇 Local Nusselt number Nucof the heattransfer wall at different insertiondepths of the jet tube(酌=5毅)3郾 4郾 3摇 射流管插入深度对沿螺旋线方向努赛尔数的影响为了从宏观角度分析螺旋通道各截面的平均传热性能,定义 Nu兹为沿螺旋线方向截面各壁面 Nuc的平均值,它可以代表不同螺旋角度位置截面的传热效果。图 11 为射流管不同插入深度下 Nu兹沿螺旋线方向的变化趋势。可以看出,随着插入深度的增加,截面的 Nu兹值增大,传热性能提高,在射流入射点范围内 Nu兹值的提高最为明显,与最小插入深度(啄=0)相比,最大插入深度(啄=0郾 625)的 Nu兹最大值提高了 41郾 1%。不同插入深度下 Nu兹随螺旋角度的变化规律基本相同,在 酌=-30毅 -15毅的范围内,Nu兹基本保持不变,说明在该流动长度范围内传热由螺旋流主导,未受到射流影响;在 酌=-15毅 45毅的范围内,Nu兹呈现快速上升和下降的变化趋势,说明该长度范围是射流的影响区域,该范围占螺旋通道的 1/6 圈,并且由图 11 可知,对于单孔射流而言,射流对传热影响的螺旋角度范围为 60毅,为了使整个螺旋通道保持较高的传热性能,至多间隔 60毅就需设置一个射流管,并且传热的影响范围基本与射流管的插入深度无关;此外 Nu兹的最大值位于射流入射点下游 酌=5毅左右处,而不是在入射点位置;在 酌=45毅 180毅的范围内,Nu兹值再次处于平稳阶段,但该阶段的平稳值要比射流上游的平稳值高19%左右,这主要是由射流射入后整个螺旋流的流量增加、流速增大引起的。图 11摇 射流管不同插入深度 啄 下 Nu兹沿螺旋线方向的变化Fig.11摇 Variation of Nu兹along the spiral directionat different insertion depths of the jet tube3郾 5摇 综合强化传热性能评价采用综合换热评价指标(PEC)21评价安装射流管的矩形截面螺旋通道的综合强化传热效果,其91第 1 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 韩摇 旭等:射流管插入深度对螺旋通道传热性能的影响表达式如式(15)所示。IPEC=Num/Nu0(f/f0)1/3(15)式中:IPEC为综合换热评价指标,Num和 Nu0分别为有射流(啄=0 0郾 625)和无射流(基于螺旋通道原有流量)的情况下换热壁面的平均努赛尔数,f 和 f0分别为对应的摩擦阻力系数。图 12 为不同 Re 下 PEC随 啄 的变化曲线,可以看出,在所研究的 Re 范围内PEC 值均大于 1(PEC=1郾 09 1郾 21),并且随着插入深度的增加,PEC 呈现先增大后减小的趋势。当啄=0郾 250 时,螺旋通道获得最优的综合传热性能,因此 啄=0郾 250 是进行射流管插入深度设计时优选的结构参数。图 12摇 不同 Re 下 PEC 随 啄 的变化曲线Fig.12摇 Variation of PEC with 啄 for different Re values4摇 结论采用数值模拟的方法研究了射流管插入深度对反应釜内矩形截面螺旋通道传热性能的影响,得出如下结论:(1)射流喷射入螺旋通道后螺旋通道固有的两涡结构转变为三涡结构,随着流动长度的增加,涡旋的强度先增大后减小;随着 啄 增大,射流核心区到达外壁面的距离变短,使射流对外壁面的冲击效果增强,同时也使射流管两侧的二次涡范围增大,提升了流体对上下壁面的冲击作用;在雷诺数相同的情况下,流动阻力系数随着 啄 的增大而增大。(2)上、下传热壁面的局部努赛尔数 Nuc随着啄 的变化规律基本相同,最佳传热位置(Nuc最大的位置)随着 啄 的增大向外壁面靠拢;内壁面的 Nuc在射流管壁内侧范围随着 啄 的增大而减小,在外侧范围随着 啄 的增大而增大;射流管插入深度增加对螺旋通道外壁面传热性能提高的效果最为明显。(3)截面努赛尔数 Nu兹随着螺旋角度 酌 的增大呈现 3 个变化区域:入口区域、射流影响区域和出口区域,其中入口区域和出口区域的 Nu兹随着 酌 的变化保持稳定,但出口区域的 Nu兹比入口区域高19%左右,最大 Nu兹位于射流入射点下游5毅左右的位置。(4)对于单孔射流而言,射流对传热影响的螺旋角度范围为 60毅,为了使整个螺旋通道保持较高的传热性能,至多间隔 60毅就需设置一个射流管,并且传热的影响范围基本与射流管的插入深度无关。(5)综合换热评价指标 PEC 随着 啄 的增加呈现先增大后减小的变化规律,啄=0郾 250 是螺旋通道获得最佳综合传热性能的结构参数。参考文献:1摇 HARDIK B K,BABURAJAN P K,PRABHU S V.Localheat transfer coefficient in helical coils with single phaseflowJ.International Journal of Heat and Mass Trans鄄fer,2015,89:522-538.2摇 ZHANG L,LI J Q,LI Y X,et al.Field synergy analysisfor helical ducts with rectangular cross sectionJ.Inter鄄national Journal of Heat and Mass Transfer,2014,75:245-261.3摇 MORALES R E M,ROSA E S.Modeling fully developedlaminar flow in a helical duct with rectangular cross sec鄄tion and finite pitchJ.Applied Mathematical Model鄄ling,2012,36(10):5059-5067.4摇 SCHACHT W,VOROZHTSOVB E V,VOEVODIN A F,et al.Numerical modelling of hydraulic jumps in a 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