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玻璃-金属螺旋管复合平板式集热器传热特性数值模拟
摘 要：为探索平面金属螺旋管应用于太阳能集热器的效果，提出了一种玻璃-金属平面螺旋管复合平板式太阳能集热接收器。利用商业CFD软件FLUENT14.0对该模型简化并进行了辐射简化条件下的三维数值模拟，采用两种不同尺寸的螺旋管结构，对比分析其速度场、温度场的分布，阻力特性以及传热特性，以期获得相关模拟数据为太阳能集热器集热效率的提高提供一定的参考依据。
关键词：太阳能；平面螺旋管；集热器；FLUENT；数值模拟
Numerical Simulation of the Heat Transfer Characteristics of a Plate-coiled Tube
Chen Changnian1, Han Jitian1, Kong Lingjian1, Dou Pengcheng2
1 School of Energy and Power Engineering, SDU Jinan Shandong Province 250061
2 China Guangdong Nuclear Power Holding Co., Ltd, Shenzhen Guangdong Province 518028
Abstract: A study of the heat transfer characteristics of a plate-coiled tube was conducted with numerical simulation method. Using the commercial CFD software FLUENT14.0, two different plate-coiled tubes test section were selected with the simplified model of a glass-metal plate-coiled tube composite flat plate solar collector receiver proposed in this paper. The numerical simulation of three-dimensional model was carried out under the radiation simplified conditions. The characteristics of temperature, velocity distribution, pressure drop and heat transfer were analyzed to to provide a reference for the design of this kind of solar collector.
Key words: solar energy; plate-coiled tubes; heat collector; FLUENT; numerical simulation
0引言
太阳能的热利用越来越受到人们的重视，其中集热器集热效率的提高是太阳能热利用技术的关键所在。由于太阳辐射到地表的能量具有分散、能流密度低的特点，已有高效吸收涂层玻璃真空管式以及各种聚光式集热器来提高太阳能的集热效率[1]，但是全玻璃管式集热器的主要缺点是不能承受系统压力和较强作用力，从而导致其使用范围受到局限；目前在槽式聚光和菲涅尔反射式聚光太阳能集热器中广泛使用的是单层玻璃-直管复合式集热器，其缺点是成本较高，且存在玻璃和金属封接上的困难[2]。因此，使用强化传热金属管和玻璃的有效复合形式，既能有效克服上述缺点且能低成本、有效地提高太阳能集热器的集热效率，是太阳能集热器传热强化优化的重要措施之一。
螺旋曲线管强化换热的结构特性已得到普遍认可。早在上世纪初，Williams和Eustice等人[3-4]已开始关注弯曲管道对于流动的影响，研究弯曲管道横截面上的最大轴向流速向管外侧偏移，并用观察墨水轨迹的直观方法最早证实了螺旋弯管中二次流的存在。Dean[5]首次提出了螺旋管中表征离心力和粘性力影响的无量纲准则数，即著名的迪恩数。后来White和Ito等人[6-7]对其无量纲书进行了修正，以更好地反映螺旋管内二次回流的强化换热作用。在数值模拟方面，Abuqudais等[8]采用一维数学模型研究了集热器的瞬态换热特性。王志峰等[9]采用三维数学及物理模型对插管提热系统的流动与换热性能进行了数值模拟，发现插管长度对换热性能影响较大，插管长度较小时会造成传热恶化现象的发生。吴双应等[10]利用FLUENT对恒热流密度工况下螺旋管内水的层流换热特性进行了数值模拟，证实了管内流体的螺旋运动对于传热具有强化作用，但是流动阻力会有所增加。尽管众多学者验证了螺旋管的强化换热性能，积累了大量实验数据，但对螺旋管用于太阳能集热器的水动力与传热特性分析的实验研究与数值模拟均未见报道，需要做进一步的工作。
本文提出一种双层玻璃板-平面螺旋管有效衔接用于太阳能集热器传热强化的形式，利用商业CFD软件FLUENT14.0对该模型简化并进行了辐射简化条件下的三维数值模拟，采用两种不同尺寸的螺旋管结构，对比分析其速度场、温度场的分布，阻力特性以及传热特性，以期获得相关模拟数据为太阳能集热器集热效率的提高提供一定的参考依据。
1 模型简化及其假设
1.1 物理模型
用于强化集热效率的双层玻璃真空板-平面螺旋管复合集热器结构示意图如图1所示，考虑到玻璃与金属管的封接困难，双层玻璃真空板与金属管间不作真空封接处理，可采取注油或其它工质的方法减小导热热阻；聚光反射面用于补偿处理由于集热器角度调节需要而导致的遮挡所造成的集热面积损失。

图1 双层玻璃真空板-平面螺旋管复合集热器示意图
基于以上结构形式，数值模拟采用的物理模型可简化为平面螺旋管受太阳辐射的流动与传热模拟问题，如图2所示。具体方法是：①不考虑聚光反射面的作用，即假设螺旋管平面与太阳辐照垂直；②吸热管面向太阳辐照的部分吸热，背向太阳辐照的部分不吸热，即假设只有面向太阳辐照的壁面吸热，占金属管总表面积的1/2；③取太阳辐射强度为800Wm-2，考虑散热损失为定值5%。数值模拟过程中采用水作为流动工质，并假设①流动过程为定常流；②流体为不可压缩粘性流体。

图2 简化物理模型
1.2 数学方法
该模型数值模拟采用有限容积法对控制方程离散。计算过程利用分离隐式求解器进行稳态计算，并采用逐渐加密网格的方法，得到了网格无关解。数值计算过程的数学控制方程描述如下：
连续性方程： （1）
动量方程： （2）
能量方程： （3）
2 数值模拟条件与方法
数值模拟采用水为传热介质，工质入口温度T=300 K，系统压力为常压，入口质量流速范围在100 kgm-2s-1-300 kgm-2s-1，假设太阳辐射强度为800 Wm-2，热损失为定值5%。设置压力条件为常压条件，边界条件采用质量流速入口，受热壁面为辐射换热条件，出口为符合连续性条件的自由出流，考虑重力加速度条件的影响。模拟使用的两种不同结构尺寸的平面螺旋管如图3所示，其具体参数见表1。

图3 两种不同尺寸的平面螺旋管结构图
表1两种不同尺寸的平面螺旋管结构参数
管号
管径d (mm)
螺旋外径 D (mm)
节距Pt (mm)
长度L (mm)
圈数n
1
20
440
40
3460
5
2
20
280
40
1323
3

FLUENT14.0软件提供了多种流动模型。已有文献资料表明RNG模型对于弯管流、冲击流和旋转流等流动类型都具有较高精度[11-14]。为了能更好地模拟平面螺旋管中受辐射水流的流动与换热特性，本文选取RNG模型。
3 模拟结果与分析
利用FLUENT14.0对上述1号、2号平面螺旋管在多种工况下的辐射流动与换热特性进行了三维数值模拟，计算过程中假定流体物性为常数且取水在300 K条件下的物性参数，利用FLUENT自带的后处理功能沿着管长方向选取多个不同角度截面，观察不同工况下不同截面处的速度和温度分布规律，对比分析了不同尺寸结构的平面螺旋管在流动阻力、传热特性等方面的异同。
3.1 速度分布与流阻特性

图3 2号管不同角度截面的速度场分布图
2号平面螺旋管在较低质量流速条件下沿流动方向不同角度截面上的速度分布如图3所示，其中按角度截取截面的方法是：以平面螺旋管中心为中心沿着管长流动方向顺时针旋转角度，截面垂直于纸面向里为介质的去流方向，截面上侧为加热壁面，下同。从图可以看出，工质在转过90°截面后速度场已经出现分布不均匀的状态；随着角度增大，速度梯度明显减小且最大速度区域有向左上方偏移的趋势，这主要是受到重力和单侧壁面加热影响的结果；当超过720°截面后，速度最大值区域逐渐趋向截面左侧外侧即螺旋管的外侧，这是由于离心力对截面各点作用力不同所导致的结果。

图4 1号管不同角度截面的速度场分布图
较高质量流速工况时，1号管中90°-1080°截面速度场分布与2号管类似，但是其最大速度区域向螺旋外侧偏移的角度明显晚于质量流速较小的工况，如图4所示，1530°截面过后速度分布反映出螺旋管中离心力的作用影响，但在该工况下却表现出速度分布不对称的特点，这主要是因为受到单壁面加热作用的影响。

图5 平面螺旋管流阻特性
为考察平面螺旋管的流动阻力压降特性，将一根与1号管长度相同的水平直管中的模拟结果与1号、2号管做了对比分析，如图5所示。从图中可以看出，随着质量流速的增加，三根管子的压降均增大，且呈现近似线性规律，平面螺旋管内工质在单相流动工况下的流动阻力比直管略有增大，但并不明显。对比1号管和2号管发现，两根管子单位长度上的流动阻力差别也不明显。
3.2 温度分布与传热特性

图6 2号管不同角度截面的温度场分布图

图7 1号管不同角度截面的温度场分布图
2号平面螺旋管壁面温度分布和各截面的温度场分布如图6。由图可以看出，沿着流体流动方向，流体整体温度不断升高；平面螺旋管壁面上侧温度高于下侧，内侧温度高于外侧，前者主要是由单侧壁面加热引起的，而后者主要是由螺旋管中介质螺旋流动受离心力作用影响的。随着截面角度的增加，各截面上流体的温度梯度逐渐减小，也就是说随着工质在平面螺旋管内的流动，在重力和离心力的作用下有逐渐消除单壁面加热效应影响从而使流体温度趋于一致的趋势，在1号管的温度分布中可以看出这种趋势更明显，如图7所示。

图8 平面螺旋管传热特性
为考察平面螺旋管的传热特性将一根与2号管长度相同的水平直管中的模拟结果与1号、2号管做了对比分析，如图8所示。从图中可以看出，随着质量流速的增加，平均传热系数呈现逐渐增大的趋势，而且这种趋势在较高流速时对螺旋管而言更为明显；还可以看出，平面螺旋管的平均传热系数要高于直管，说明平面螺旋管较直管具有强化传热的作用。
4 结论
本文利用FLUENT14.0对所提双层玻璃板-平面螺旋管太阳能集热器传热强化模型简化并进行了三维数值模拟，采用两种不同尺寸的螺旋管结构，对比分析其速度场、温度场的分布，阻力特性及其传热特性，得到以下结论：
（1）平面螺旋管在单侧壁面加热条件下，受到重力和离心力的影响，工质在转过90°截面后（截面定义见正文）速度场已出现分布不均匀的状态；随着角度增大，速度梯度明显减小且最大速度区域有向左上方偏移的趋势；当超过720°截面后，速度最大值区域逐渐趋向截面左侧外侧即螺旋管的外侧。
（2）沿着流体流动方向，流体整体温度不断升高；平面螺旋管壁面上侧温度高于下侧，内侧温度高于外侧；随着截面角度的增加，各截面上流体的温度梯度逐渐减小，表现出平面螺旋管在重力和离心力的作用下可逐渐消除单壁面加热效应影响而使流体温度趋于一致。
（3）随着质量流速的增加，平面螺旋管内工质在单相流动工况下的流动阻力呈现近似线性规律，其值比直管略有增大，但并不明显；平均传热系数呈现逐渐增大的趋势，而且这种趋势在较高流速时对螺旋管而言更为明显，且其值要高于直管，表明平面螺旋管较直管具有强化传热的作用。
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