受二次流涡流影响的螺旋盘管内传热特性研究_华珍.pdf

（）年 第 卷 第 期 收稿日期：基金项目：国家自然科学基金项目（）作者简介：华珍，女，正高级实验师，主要从事工程热力学研究，-：；通信作者 王效岳，男，博士，教授，-：。本文引用格式：华珍，王效岳 受二次流涡流影响的螺旋盘管内传热特性研究 重庆理工大学学报（自然科学），（）：，-（），（）：（）受二次流涡流影响的螺旋盘管内传热特性研究华珍，王效岳（山东理工大学 交通与车辆工程学院，山东 淄博 ；山东理工大学 机械工程学院，山东 淄博 ）摘要：为改进传统螺旋盘管的换热效率，通过实验和数值模拟研究了湍流水流经均匀加热下螺旋盘管的流动和传热特性。研究重点为垂直于盘管轴向横截面内二次流的特性及其对工作流体水和加热盘管壁间传热的影响。结果表明，仅在实验结果中发现了盘管局部努塞尔特数振荡，但模拟结果的努塞尔特数的模拟结果绝对值与实验结果匹配良好。其原因可能是尽管二次流存在并沿盘管轴向不规则地演变，但与主流速度相比过小，对局部传热的影响可忽略不计。为进一步确认盘管中二次流特性，在每 盘管转弯处，加接一个 外部反向回路环。研究发现：额外的反向回路环加强了重新流入主盘管的二次流速度，使该横截面积内二次流涡流的数量增加。关键词：螺旋盘管；传热特性；二次流涡流；湍流中图分类号：文献标识码：文章编号：（）开放科学（资源服务）标识码（）：引言优化在供冷供热上的能源消耗是碳中和的重大工作之一 。在能量传输和转换相关应用中，盘管换热器应用广泛。从住宅制冷和空调 到核反应堆 中，都可能用到盘管换热器。盘管换热器作为能量交换界面的主要优势是有效传热面积体积比大以及比直管有更好的传热系数，不过盘管换热器的曲率会导致管内更高的流动阻力和流体循环系统所需泵功 。由盘管曲率引入的离心力是造成盘管中流动的流体所具有的独特流动和热学特性的主要原因。在盘管中，主要流体速度峰值会向流体所受离心力的相反方向移动，并且在与主流方向垂直的盘管横截面内会产生二次流 。由于主流速度偏移，盘管横截面内的流体速度在与离心力方向相反的位置处更高，也因此会对应更好的对流热传递。此外，盘管流动中，在垂直于主流方向的平面内会存在次要流动（二次流），从而促进加剧横截面内的流体混合 。理论上，更好的流体混合意味着盘管横截面内和盘管壁周边处会有更好的对流热传递。因此可以看出，更好的研究了解盘管内二次流动是进一步改善螺旋盘管传热，继而优化盘管换热器效率的关键之一。此外，弯管内二次流不仅在能量传输中很重要，在其他弯管相关应用中也发挥着重要作用，例如，在临床领域，血管内的二次流被称为“螺旋血流”，可以被用来防止主动脉中的动脉壁损伤 。文献中已有相关实验和数值模拟方法对弯管中的二次流进行研究 。如 声称在盘管中存在二次流场，并提出了一个无量纲数考虑曲率比和雷诺数对盘管内流动特性的影响。迪恩数定义如下：（）式中：、分别是迪恩数、雷诺数、流体的密度、动态黏度、流体平均速度、管内直径、管内半径、盘管曲率半径。盘管中垂直于轴向的横截面内二次流动流场如图 所示 。等 对直管、弯管和螺旋盘管中的湍流进行了直接数值模拟。结果表明，盘管曲率引起的二次流对湍流特性起着重要作用。此外，在特定工况下，盘管中流线曲率会大大抑制湍流的程度，并且在高曲率比时会发生湍流向层流的回置。图 不同迪恩数下弯管内流动产生的二次流场 等 进行了盘管中油层流和水湍流的传热实验，使用的盘管直径比为 和 ，雷诺数范围为 。对于水流经加热盘管，实验发现靠近管外侧传热系数比内侧大 倍，分别对应 与 的盘管直径比。根据实验结果，在某一垂直于主流方向的横截面内，盘管中的主流平均速度峰值倾向偏移到管的外侧，这导致管外侧比内侧的流体速度高，因此在盘管外侧附近比在盘管内侧附近会产生更好的流体与加热壁面间的热传递。在 的数值研究中，盘管内的流动特性，主要是二次流的存在，也被发现是影响盘管与工作流体间传热的重要因素。其研究的范围包括盘管直径比从 ，普朗特数值从 ，雷诺数值从 。等 使用 对螺旋盘管中的传热性能进行了计算流体动力学分析，其中所使用的模型是雷诺平均（）湍流模型。经过对比，其数值模拟结果与相应的实验结果吻合良好。在 -随后的研究中，发现了沿盘管轴向上局部换热系数绝对值随轴向距离振荡的现象，并且将这归因于垂直于主流方向横截面内二次流涡流引起的流体混合加强。从已有文献中可以看到，流动特性，尤其是二次流动涡流，对在盘管中流动的流体的传热性能至关重要。如果利用得当，二次流涡流可以被用来提高盘管式换热结构的效率。例如，在某些应用中可能存在最佳盘管曲率比，从而获得最佳的传热压降比，即最佳系统经济性。对于含有固体颗粒悬浮的流体，如纳米流体和相变材料浆液，盘管横截面内的二次流动涡流将促进局部流体与颗粒更好地混合，最终提高功能颗粒的效用与最终传热性能 。然而，围绕盘管中二次流涡的存在和作用仍存在争议。现有的一些研究较久远，在当时的实验和模拟计算条件下，并不能够提供足够多的证据来完全满足现阶段能源领域对二次流涡特性理解以及运用的需求，尤其是二次涡流的可视化。因此，为了更好地理解并分析二次流涡流及其对盘管中传热性能的影响，本研究对湍流状态下的水流经均匀加热的螺旋盘管管道进行了实验和数值模拟。在实验装置与数值模型中，均设置曲率比为 ，管内径为 的两圈（）铜制立式螺旋盘管。实验装置和过程本实验的核心传热测试部件是一个 圈竖直走向的铜制螺旋盘管，如图 所示。实验中，盘管壁面上通过均匀缠绕的镍铬合金加热线圈来保持恒定热流密度。为实时监控记录盘管中流动的水与加热壁面间的热交换状态，螺旋盘管壁面上每隔 轴向距离放置一组热电偶。考虑到离心力以及流体流场对与壁面间传热的影响，在每个温度测量点使用了 个热电偶，一个在盘管的外侧，一个在内侧，如图 所示。另外，通过将热电偶插入到盘管内部直接与流动的工作流体接触来获取实验中实时的流体温度。对于工作流体流经传热测试段所要承担的压降，一个独立地复刻了传热测试段结构的压力测试盘管被用来测量对应传热数据的压降值。最终，传热和压降测试段都接入到一个闭式系统来实现工作流体水的循环流动，其液路图如图 所示。该循环流动系统还起到根据实验要求来控制工作流体进入测试段前的工作状态，如进口温度及流速。具体来说，工作流体水的循环流动由一个螺杆泵驱动。一个来自 公司提供的电磁流量计用于确定水在管路中的流速。一个使用冷却水的二级热交换器（）用于控制流体重新流入测试段的温度。同时系统中设置了一个具有相同目的预热段来进一步辅助流体温度控制。上述提及的所有温度与压力传感器都连接数据卡，并使用安捷伦数据记录仪实时采集数据。图 核心传热测试部件示意图图 盘管壁沿轴向以及径向局部热电偶放置点位置示意图图 包括传热测试段的闭式流动循环系统液路图 数值模拟模型及方法本研究中数值计算模型已计算域的构建完全基于复刻实验中传热测试段所使用的竖式 螺旋盘管，如图 （）所示。与实验测试段相同，此螺旋 盘 管 模 型 曲 率 比 为 ，管 内 径 为 ，螺距为 。每个模拟计算例完成后，根据收敛的计算结果，在每 盘管转弯处（即“”）读取流经均匀加热螺旋盘管的水的数值传热和流动数据。图 数值计算物理模型在模拟计算时，螺旋盘管壁上施加恒定热流密度的热边界条件，如无特别说明，本文中数据结果对应 的恒定壁面热流密度。在盘管入口实施处设定均匀流体温度和充分发展的湍流速度分布，而在盘管出口采用压力限制条件（常压）。本文所展示的结果对应 以及 华珍，等：受二次流涡流影响的螺旋盘管内传热特性研究 的进口速度。寻找最佳数值计算模型描述加热螺旋盘管中湍流水与加热壁面间对流换热特性时，比较了 种不同湍流计算模型，即具有擅长处理近壁面特性的 -模型和 模型。另外，本研究中数值模拟所使用的控制方程基于一般湍流问题的传统方程，包括 和 或 相关的连续性方程、动量方程、能量方程和输运方程 。本研究中的数值模拟通过计算流体力学软件 完成。控制方程采用基于压力稳定的求解方式，采用 算法作为流体压力和速度的耦合方案。温度、压力、流速等梯度的空间离散化是基于最小二乘单元的动量、能量和湍流变量的二阶迎风方案实现的。当连续性、动量和能量方程的归一化残差达到 以下时，认为数值求解过程收敛。在确定盘管入口截面处的二维网格布局之前，尝试了各种不同网格划分方式，如不同的网格形状，不同的网格疏密度，最终采用的网格布局如图 （）所示。在使用的网格划分结构中，横截面内网格精度逐渐向盘管壁细化，并确保无量纲壁距 小于 ，从而可以精确解析近壁面处的热和流动边界层。在确定了二维横截面上的网格布局后，整个横截面的二维网格被以六面体体积网格的形式延展到整盘管立体计算域，如图 （）。本研究中，在完成数值计算物理模型及其网格化构建后，进行了数值计算网格无关性测试，以找到占用尽可能少的计算资源前提下最有效的网格数，且该网格数量足以产出精确的计算结果。网格无关性测试基于整个管壁平均努塞尔特数与入口流体速度的关系，如图 所示。图 基于整个盘管壁平均努塞尔特数与流体速度间关系的网格无关性测试每个对应的流速下，通过平均沿盘管轴向壁面上的局部努塞尔特数得到盘管整体的平均努塞尔特数。当整个螺旋盘管，也就是数值计算域的总网格单元数增加到 时，继续增加网格数量及计算精度不会显著提高数值预测的准确性，并且此时数值预测的结果与对应实验结果之间的差异很小。因此，在本研究中，对于所有数值模拟算例，网格单元的数量设置为约 个。结果讨论 数据处理过程本研究中，通过测试盘管外壁面的热流密度 是给定的。这样，流经内壁面的热流密度可以根据管壁外径（）和内径（）计算得出：（）实验中，盘管外壁温度采用表面贴装热电偶测量，内壁温度便可根据一维导热方程近似为：（）（）（）（）式中：、分别为测试盘管内壁温度、外壁温度、轴向位置、管外壁热流密度、管外径、管内径和管壁材料导热系数。工作流体水在湍流下通过均匀加热的螺旋盘管试验段时与加热管壁间的局部换热系数 （）由管壁局部热流密度和管内壁与流体之间的温差确定：（）（）（）（）实验和数值结果的比较图 表示了通过实验与数值模拟得到的在不同流度下工作流体水流经整个加热螺旋盘管测试段所需的压降。如图所示，压降随着流度的上升而上升，数值模拟预测结果与实验数据匹配良好。图 和图 表示流经螺旋盘管的工作流体水与加热壁面间换热性能的实验和数值模拟结果，分别对应流体入口速度 和 。如图所示，随着水流经通过被恒定热流密度加热的螺旋盘管，流体温度和盘管壁温沿盘管轴线方向增加且温度增长斜率大致相同。盘管壁温度总是大于冷却流体温度，两者间的温差将驱动加热盘管壁和工作流体水之间的热传递。这些发现与经典理论以及现有文献中的结论吻合。这样沿盘管轴向上局部努塞尔特数可以根据局部温度数据计算得出，用于表征工作流体水和加热盘管壁之间的局部热传递。局部努塞尔特数的定义为：（）（）（）其中 是盘管壁附近流体的导热率。如图、所示，当盘管内水的流速为 时，相应的局部努塞尔特数高于流速为 时，即高流速对应更好的管内对流换热。然而，图 和图 中，另一个重要的现象是在盘管某一轴向位置沿管壁周长存在温度梯度，靠盘管内侧的壁面温度大于靠盘管外侧的壁面温度，从而使盘管外侧的努塞尔特数比内侧高。在盘管各个轴向位置沿管壁周长存在温度和努塞尔特数梯度的主要原因是，当水流经有曲率的盘管受到离心力作用时，主要流体速度会向盘管外侧偏移。图 不同流速下加热螺旋盘管中水流压降的实验与数值曲线图 流速 时实验和数值模拟结果曲线图 流速 时实验和数值模拟结果曲线图 展示了通过数值模拟获得的在盘管不同轴向位置处流动横截面内的主要流体速度分布，进一步说明有曲率的螺旋盘管中流体流动的主流速度偏移现象。根据图 中的数值模拟结果可以看出，对于所有考虑的盘管轴向位置，所有的主要流体速度都向盘管外侧方向偏移，此主要流华珍，等：受二次流涡流影响的螺旋盘管内传热特性研究体速度偏移现象也与文献中类似结果相符合。此外，在数值模拟初期，分别尝试了 -、-、-、-、和 -模型，通过对比不同模型模拟的结果发现 和 -模型的预测结果与实验数据有更好的吻合。因此，出于对数值模拟精度和成本的考虑，本研究中的数值模拟结果都基于 -模型。图 数值模拟结果：不同盘管轴向位置处主要流体速度分布在平行于流动方向的中心平面上的投影另外，由图 、所示，数值模拟结果无法完全捕捉到如实验结果中的努塞尔特数沿盘管轴向的局部数值波动。主要原因是现有的数值计算模型对实时实地捕捉二次涡流以及相关流动与传热间的耦合存在困难，如 -是基于对时间平均的流体传热计算模型。局部网格划分不精确也可能造成实验数据与仿真数据出现差异，不过这取决于数值模拟资源的分配，将作为下一步的研究方向。二次流涡流从传热实验结果图 和图 可以看出，当水流过加热的螺旋盘管时，局部努塞尔特数的绝对值大小沿盘管轴向振荡，不过此局部努塞尔特数绝对值振荡现象在数值模拟结果中没有体现。然而根据文献，在实验 和数值模拟 中皆观测到了沿弯管轴向的局部努塞尔特数振荡。因此，为更好地解释实验和数值模拟结果，以及与文献中对于局部努塞尔特数振荡的不一致，根据数值模拟结果达到稳态后，加热盘管不同轴向位置上垂直于主要流动方向的横截面内的工作流体二次流速度场进行可视化，如图 所示，二次流涡旋存在于所有考虑的沿盘管轴向的横截面中。图 不同的盘管轴向位置下垂直于主要流动方向的横截面内二次流动速度场云图此外，个主要的二次流涡旋的大小不同，这与先前文献 中的发现一致。另一个发现是二次流涡旋沿盘管从轴向位置 不断演变。虽然图 中清楚地展现了盘管流动中二次流涡旋的存在及沿盘管轴向的演变，但二次流速度的大小基本小于 ，与 的盘管内主流速度相比是相当小的。这里二次流速度较小主要原因是盘管的曲率较大，即盘管的弯曲程度不够。因此，二次流对传热的影响很小，几乎可以忽略。这也解释了为何从数值模拟结果来看，虽然存在二次流以及二次流涡旋，却没有换热，即局部努塞尔特数大小，沿盘管轴向的振荡，因为螺旋盘管中局部努塞尔特数振荡的主要是由局部横截面内二次流涡流的不规则运动造成 。基于对加热螺旋盘管中二次流的数值结果分析，考虑到较弱的二次流对传热的影响很小，所以实验结果中发现的局部努塞尔特数振荡可能是由实验中的不确定性造成的。因此，在根据温度数据对流经加热螺旋盘管的工作流体与加热壁面间的热交换进行实验研究时，应格外注意。为进一步分析和理解螺旋盘管中的二次流动特性，本研究中在主盘管基础上添加了外部的额外循环管路，即在沿主盘管轴向每隔 处添加一个 反向回路环，如图 所示。图 在基础螺旋盘管轴向每 位置引入额外的 反向回路环引入额外的外部反向回路的目的是通过改变流体速度场实现对工作流体在主盘管内的流动进行加强，尤其是加强二次流动以及改善流体混合。因为工作流体在外部反向回路中的主流速度方向大小，所受离心力的方向大小以及由离心力引起的二次流流动特性都与工作流体在主盘管中时不同，所以当工作流体离开外部回路重新回到主盘管中时，流体的流动已经速度场将经历重新形成并稳定的过程。从工作流体水流过添加了反向回路的加热螺旋盘管的数值结果中看出，在相同盘管轴向位置处，垂直于主流速度方向的横截面内，经过每个反向回路后的二次流流场与无反向回路的螺旋盘管内所对应的二次流流场有很大不同，如图 和图 所示。图 工作流体流经反向回路后刚返回主盘管时在垂直于主要流动方向的横截面内二次流动速度场云图与没有接入反向回路的基础盘管中的二次流速度分布相比，流体流经反向回路再次返回主盘管后，二次流涡旋的数量增加了，而且这些涡旋在横截面内占据的空间也更多了。此外，相反方向的次级涡流数量增加。这也反映在了加装反向回路前、后主盘管内二次流的定量对比上，由于流经反向回路，原主盘管内的二次流强度被削弱了，如从最大 （图 ）到 （图 ）。导致上述盘管内二次流动特性的主要原因是由于所受离心力的方向不同，在流体从外部方向盘管返回到主盘管之后，流体流速的方向要重新整合，包括主流流体速度的偏移及二次流速度场的重新分配。此外，由于主盘管与外部反向回路有不同的华珍，等：受二次流涡流影响的螺旋盘管内传热特性研究曲率比和旋向，流体在其中所受的离心力方向和大小皆不同，因此图 与图 中所示的二次流方向和大小是不同的。从上面的讨论中可以看出，巧妙地利用盘管内二次流动，可以提供更有效的流体混合及对换热效率的增益，就像本研究中，通过外部添加额外的反向回路改善控制螺旋盘管中的二次流动特性，并使其为更有效的主盘管中的换热效率而服务。结论）实验和数值模拟结果表明，由于离心力引起的盘管内流体主流速度峰值偏移，使得在螺旋盘管轴向的某个横截面处，沿横截面周长径向外侧的传热比径向内侧附近的传热强。模拟结果可视化显示，由于盘管曲率和相对应引入的离心力，垂直于盘管轴向的横截面内有二次流涡流产生。）在本研究的实验条件下，发现局部二次流涡流几乎不影响局部传热系数，尽管这些涡流会促进局部流体混合。主要原因是二次流涡流的速度绝对值（）与主要流速（）相比太小。）主盘管内二次流通过添加外部盘管结构“反向回路”得到加强，这表明，二次流可用作螺旋盘管相关应用中潜在的传热增强策略。）盘管中流体的传热需要进一步研究，尤其是当二次流流速和主流流速大致相当时，例如，通过调整盘管曲率比进一步探索二次流涡流对加热下的螺旋盘管传热性能的潜在好处。参考文献：，-，：，-，（）：，-，（）：，-，-，：，-，：，-，：，-，（）：，：-，（）：，-，：，：，-，（）：，：，：，-，（）：，-，：，：，-，：，：，：，-，（）：，-：-，：，-，（）：，-，：，（，；，）：，-，-：；（责任编辑符有梅）华珍，等：受二次流涡流影响的螺旋盘管内传热特性研究