圆柱凸包管流动与传热特性的数值研究.pdf

圆柱凸包管流动与传热特性的数值研究李振龙(国电电力大同发电有限责任公司,山西 大同 037000)摘要:通过对低温省煤器新型圆柱凸包换热管的传热过程进行数值模拟,研究圆柱凸包的直径和间距对管内流动与传热特性的影响规律。结果表明,圆柱凸包有效地破坏了近壁面处的热边界层,提高了速度场与温度场的协同效应,强化了换热性能。相较于光管,圆柱凸包管的努塞尔数 Nu 提高了 17.9%52%,摩擦阻力系数f提高了 1.2%26.1%,综合传热性能提高了17.5%47.6%。高度h=0.60 mm、间距l=28 mm的结构强化传热效果最佳。关键词:圆柱凸包管;涡流;强化换热;数值模拟DOI 编码:10.16641/11-3241/tk.2023.04.006N u m e r i c a l s t u d y o f f l o w a n d h e a t t r a n s f e r c h a r a c t e r i s t i c s i n a c y l i n d r i c a l r a i s e d t u b eLI Zhenlong(GD Power Datong Power Generation Co.Ltd.,Datong 037000,China)A b s t r a c t:A numerical simulation of the heat transfer process of a new cylindrical raised tube is carried out to study the influence of the diameter and spacing of the cylinder on the flow and heat transfer characteristics in the cylindrical raised tube.The results show that the cylindrical raised effectively destroys the thermal boundary layer near the wall,improves the synergistic effect of the velocity field and the temperature field,and strengthens the heat transfer process.Compared with the bare tube,the Nusselt number(Nu)of the cylindrical raised tube increases by 17.9%52%,the frictional resistance coefficient(f)increases by 1.2%26.1%,and the comprehensive heat transfer performance increases by 17.5%47.6%.The structure with height h=0.60 mm and spacing l=28 mm has the best heat transfer effect.K e y w o r d s:cylindrical raised tube;vortex;enhanced heat transfer;numerical simulation0 引言低温省煤器作为 600 MW 火力发电厂中重要的热力设备,其主要功能是回收燃煤后产生的废热,用于预热锅炉给水,从而提高锅炉热效率,降低煤耗。其工作原理是通过换热器将锅炉尾部烟气中的余热传递给给水。因此,对换热管进行强化传热可提高换热器效率,降低煤耗,提高发电厂总效率,减少环境污染。无源强化传热技术不需要额外的能源输23区域供热 2023.4 期入,在实际工程中得到了广泛应用。关于换热管强化传热技术的研究在国内外得到了广泛的关注 1-4。刘鹏等 5对插入锥型片涡发生器的管内流动与传热特性进行实验研究,结果表明,插入物可加剧管内流体的扰动,强化传热性能。陈邦强等 6对横纹槽换热管的换热过程进行模拟研究,结果表明,流体在流经横纹槽时发生回流,破坏了近壁面处的热边界层,相较于光管传热性能最大提升 70%。Liu 等 7对内翅片的换热管进行了数值模拟研究,发现翅片的添加增大了努塞尔数和阻力系数,其中螺旋角对强化传热的影响最大,三角形翅片的强化传热效果最好。江嘉铭等 8对正弦型波纹管进行数值模拟研究,发现流体在换热管径向方向上产生了二次流,并且正弦周期越小、波峰越大的波纹管,传热性能越强,流动阻力越小。张凯等 9基于仿生学原理对带有凸起的球形丁胞仿生结构的换热管进行模拟研究,结果表明,低雷诺数下该结构的流动阻力更小,传热性能提升明显。本文提出了一种新型无源强化传热管 圆柱凸包管,采用 ANSYS Fluent 软件对圆柱凸包管管内的流动与传热特性进行数值模拟研究,为该新型圆柱凸包管在低温省煤器强化传热方面的工程应用提供参考。1 物理模型图 1 为新型圆柱凸包管的物理模型。圆柱凸包管的材料为铝,其有效传热长度为600mm,管内径为 40 mm,外径为 44 mm。内表面凸包为圆柱状,圆柱的平均直径为 5 mm,高度为h,且圆柱凸包在圆周方向上错列布置,沿轴向方向的间距为l。对不同参数组合的圆柱凸包管的流动与传热特性进行数值模拟。所模拟的各结构参数取值如下:圆柱高度h为 0.35 mm、0.40 mm、0.45 mm、0.50 mm和 0.60 mm;圆柱间距l为 16 mm、20 mm、24 mm、28 mm、32 mm 和 36 mm。2 数学模型假设管内换热流体为常物性、不可压缩图1 圆柱凸包管几何结构模型流体,流体的运动状态为湍流,并忽略重力的影响。流体的基本控制方程 10如下:连续性方程uxx+uyy+uzz(1)动量方程d uxd t=px xx+py xy+pz xz+Fb x(2)d uyd t=px yx+py yy+pz yz+Fb y(3)d uzd t=px zx+py zy+pz zz+Fb z(4)能量方程tE +xiuiE+p =xike f fTxi-hj tJj t+uji j e f f +Sh(5)式中:u流速,m/s;密度,kg/m3;33区域供热 2023.4 期t时间,s;p压力,Pa;F质量力,N/kg;E总能,m2/s;J扩散流量;h焓,J/kg;T流体温度,K;ke f f有效热导率,W/(mK);Sh热源项,W。采用 SST k-两方程模型 11:k方程tk +xik ui =xikkxi +Gk-Yk+Sk(6)方程t +xi ui =xixi +G-Y+S+D(7)式中:k湍流动能;耗散率;有效扩散率;G生成项;Y扩散项;S用户自定义项;D交叉扩散项。3 数值计算3.1 边界条件使用 SolidWorks 软件对圆柱凸包管的物理模型进行建模。使用 Fluent Meshing 软件对计算域进行网格划分,在近壁面处采用近壁面模型进行处理,在管壁内表面对计算网格进行加密,以确保模拟结果的准确性。使用 Fluent 2021R1 软件对管内流动与传热特性进行数值模拟。对流速u=1.0 m/s(R e=40 000),高度h=0.5 mm,间距l=20 mm 的圆柱凸包管进行网格独立性验证。圆柱凸包管的网格划分如图 2 所示。当网格数量从130 万增加至 180 万和 260 万时,努塞尔数N u和摩擦阻力系数f变化幅度很小。并且,当网格数大于 180 万时,其数值模拟结果几乎不变,该网格数量和网格密度符合计算要求。图2 圆柱凸包管的网格划分模拟的雷诺数R e=10 00060 000,管内传热流体处于湍流的充分发展阶段。管内传热流体为水,计算域壁面为等壁温,温度为360 K。入口为速度入口,温度为 300 K,出口为压力出口。在数值求解的过程中,采用SST k-两方程模型,近壁面处采用近壁面模型进行处理,压力速度耦合采用 SIMPLEC算法,压力项选取 Standard 格式,其他各项均选择二阶迎风格式,亚松弛因子和残差采用默认设置。3.2 结果处理传热管的努塞尔数N u和摩擦阻力系数f分别为:N u=h de(8)f=P deLu2(9)式中:h管内对流传热系数,W/(m2K);de水力直径,m;导热系数,W/(mK);P压降,Pa;43区域供热 2023.4 期密度,kg/m3;u流速,m/s。L是什么采用 Webb 12所提出的综合传热性能PEC 对传热管的强化传热效果进行表征:P E C=N u/N u0f/f0 1/3(10)式中:N u,N u0圆柱凸包管和光管的努塞尔数;f,f0为圆柱凸包管和光管的摩擦阻力系数。采用过增元 13所提出的场协同数 Fc 对传热过程的速度场和温度场协同程度进行表征:F c=N uR e P r(11)式中:P r普朗特数。4 模拟结果与分析4.1 模拟验证为验证模拟的准确性,模拟了相同条件下光管的流动与传热特性。图 3 和图 4 分别为模拟结果与 Gnielinski 和 Filoneko 关联式的计算结果对比,其相对误差均在 10%以内。图3 N u与G n i e l i n s k i关联式的结果对比4.2 圆柱凸包管强化传热机理分析当R e为 40 000 时,对h=0.5 mm,l=20 mm 的圆柱凸包管进行数值模拟,并分析其强化传热机理。图 5 为z=400 mm 截面处图4 f与F i l o n e k o关联式的结果对比的湍动能等值线图,在沿圆柱凸包管径向方向,流体的湍动能逐渐增大。并且在近壁面处出现了较高的湍动能区,这表明由于圆柱凸包的扰动作用,在管内表面附近产生了大量的涡流,这些涡流改变了流体原有的运动状态,破坏了原有的热边界层。同时,涡流沿着圆柱凸包管轴向方向推进,降低了额外的摩擦阻力,提高了速度场与温度场的协同效应,强化了传热性能。图5 z=4 0 0 m m截面处的湍动能等值线图图 6 为z=400 mm 截面处的速度场和温度场等值线分布,流体在流经管内圆柱时,由于扰动作用产生了大量的涡流,这加剧了近壁面处流体的不稳定性,有效地破坏了近壁面处的热边界层。在整个传热过程中,温度53区域供热 2023.4 期变化较大,并且近壁面处的温度等值线更加密集。从图中可以看出,涡流出现的位置与速度场和温度场的等值线最集中的区域一致,这表明了在该处的速度场和温度场协同作用更加明显,从而提高了传热效果。图6 z=4 0 0 m m截面处的速度场和温度场等值线图4.3 圆柱高度h对流动与传热特性的影响图 7 为不同雷诺数R e下圆柱高度h对N u和f的影响,不同圆柱高度的圆柱凸包管的传热效果得到了明显提升。由图 7(a)可知,努塞尔数N u随着雷诺数R e的增大而增大,相较于光管,不同圆柱高度下的努塞尔数N u增大了 17.9%52%;在同一雷诺数R e下,努塞尔数N u随着圆柱高度h的增大而增大;当h24 mm 时,随着摩擦阻力系数f增大,圆柱间距l对摩擦阻力系数f的影响不明显。图8 不同雷诺数R e下圆柱间距l对N u和f的影响4.5 综合传热性能不同雷诺数R e下圆柱高度h和圆柱间距l对P E C的影响如图 9 所示,圆柱凸包管的综合传热性能增大了 17.5%47.6%。在同一雷诺数R e下,综合传热性能P E C随着圆柱高度h的增大而增大;当圆柱高度h=0.350.40 mm 时,综合传热性能P E C随雷诺数R e的增大而增大;当h=0.450.50 mm,在雷诺数R e=20 000 时的综合传热性能P E C最大,该点的强化传热性能效果最佳;当h=0.60 mm 时,综合传热性能P E C随着雷诺数的增大而减小。当h=0.50 mm 时,在不同圆柱间距l下,雷诺数R e为 20 000 时的综合传热性能P E C最大;在同一雷诺数R e下,圆柱间距l=28 mm 时的综合传热性能P E C最大。综上,当R e=10 00060 000 时,h=0.60 mm、l=28 mm 时圆柱凸包对流体的扰动作用更为强烈,强化传热效果最佳;而h=0.40 mm、l=16 mm 时的强化传热效果最差。不同雷诺数R e下圆柱高度h和圆柱间距l对 Fc 的影响如图 10 所示,在不同圆柱高度h下,协同数 Fc 随着雷诺数R e的增大而减小;在同一雷诺数R e下,圆柱的高度h=0.4 mm 的场协同数 Fc 最小;当h0.4 mm时,随着圆柱高度h的增加,场协同数 Fc 增大。当圆柱间距l=1624 mm 时,协同数 Fc随雷诺数R e的增大而减小;当l=2836 mm时,在雷诺数R e=20 000 时的场协同数 Fc 最大,且随着圆柱间距l的增大,场协同数 Fc 减小;在同一雷诺数R e下,圆柱间距l=28 mm时的 场 协 同 数 Fc 最 大。综 上,当R e=10 00060 000 时,h=0.60 mm、l=28 mm 的场协同数 Fc 最大,该结构的圆柱凸包管实际传热能力更强,强化传热效果最佳。而h=0.40 mm、l=16 mm 时的强化传热效果最差。5 结论(1)新型圆柱凸包管在圆周方向上错列布置着圆柱状凸包,在流体流经圆柱时由于扰动作用,产生了大量的涡流,破坏了近壁面处的热边界层,强化了速度场和温度场协同73区域供热 2023.4 期图9 不同雷诺数R e下圆柱高度h和圆柱间距l对P E C的影响作用,从而强化了传热过程。(2)相较于光管,圆柱凸包管的努塞尔数N u增大了 17.9%52%,摩擦阻力系数f增大了 1.2%26.1%,综合传热性能增大了17.5%47.6%。(3)不同结构参数对圆柱凸包管的流动与传热特性有着较大的影响。当雷诺数R e=10 00060 000 时,高度h=0.60 mm、间距l=28 mm结构的圆柱凸包管强化传热效果最佳。参考文献 1闫顺林,于兴宝,韩建,等.麻面管管内流动与传热特性的数值分析 J.动力工程学报,2019,39图1 0 不同雷诺数R e下圆柱高度h和圆柱间距l对F c的影响(2):116-122.2 KUKULKA D J,SMITH R.Thermal-hydraulic performance of Vipertex 1EHT enhanced heat transfer tubes J.Applied Thermal Engineering,2013,61(1):60-66.3CHEN Y,FIEBIG M,MITRA N K.Heat transfer enhancement of finned oval tubes with staggered punched longitudinal vortex generators J .International Journal of Heat and Mass Transfer,2000,43(3):4 17-435.4李论.管型结构对管内强化传热效果影响的研究进展 J.科技视界,2021,338(8):155-157.5刘鹏,郑年本,王新婷,等.内插锥形片强化传热管数值模拟与 PIV 实验研究 J.工程热物理学报,2019,40(2):382-388.(下转第 97 页)83区域供热 2023.4 期(2)在提供智慧精准调控功能的基础上,通过调用海量的户用热量表数据,该系统还可以提供二次供热管网水力平衡诊断报告,以及综合流量、热量、平均回水温度的诊断分析报告,帮助操作人员深入了解系统实际运行情况,及时发现水力失衡和热量失衡较为严重的楼宇或热用户,以便及时采取调控措施。(3)该数据模型及控制系统的开发与应用有利于全面提升城市供热系统的数字化、智能化水平,使供热温度更加均衡、稳定,降低室温波动,为热用户提升供热舒适性,同时有利于促进国家节能减排政策的落实,降低供热公司的能耗水平和运行成本,大大提高能源利用率,为推进智慧供热建设提供了可供参考的技术路线。参考文献 1钟崴,陆烁玮,刘荣.智慧供热的理念、技术与价值 J.区域供热,2018(2):1-5.2王庆峰.集中供热系统运行调节优化及热负荷预测方法研究 D.济南:山东大学,2010.3王富有,方正,门冉.智能实时供热调度系统设计 J.化工自动化及仪表,2021,48(6):594-600.4董妍.大型城市集中供热系统调度运行浅析 J.区域供热,2018(4):19-24+136.5甄浩然,冯文亮,王帅.供热系统二次网平衡调控方法调研分析 J.区域供热,2022(1):59-65+107.(上接第 38 页)6陈邦强,李庆生.横纹槽管管内流动与强化传热三维数值模拟 J.化学工程与装备,2018,262(11):14-18.7LIU Z,YUE Y,SHE L,et al.Numerical analysis of turbulent flow and heat transfer in internally finned tubes J.Frontiers in Energy Research,2019,7:64.8江嘉铭,吴文杰,黄淑龙,等.正弦型波纹管二次流强化换热模拟研究 J.热力发电,2020,49(9):46-51.9张凯,王飞龙,何雅玲.新型仿生结构强化管流动与换热性能数值研究 J.工程热物理学报,2019,40(2):375-381.10王福军.计算流体动力学分析:CFD 软件原理与应用 M.北京:清华大学出版社,2004.11陈铠杰,万德成.基于黏性修正 SST k-模型的水翼空化流数值模拟计算 J.水动力学研究与进展(A 辑),2019,34(2):224-231.12WEBB R L.Performance evaluation criteria for use of enhanced heat transfer surfaces in heat exchanger design J.International Journal of Heat and Mass Transfer,1981,24(4):715-726.13过增元.对流换热的物理机制及其控制:速度场与热流场的协同 J.科学通报,2000(19):2118-2122.79区域供热 2023.4 期