螺旋槽管传热与流阻性能及污垢性能的数值模拟

摘要

随着化工、石油、轻工等过程工业的迅猛发展,以能源为中心的环境、生态和社会问题日益加剧,能源紧张的状况越来越烈,为缓和能源紧张状况,世界各国都在寻找新能源和节能新途径。换热器作为换热的重要设备,广泛应用于冶金、动力、核能、制冷、石油化工、航空航天等各个工业领域中。随着强化传热技术的发展,各种强化传热技术被广泛应用于换热设备中,尤其是各种强化管的广泛应用。螺旋槽管是高效强化管之一,以其优良的双面强化传热和良好的机械加工性能而优越于众多传热元件,引起了世界各国的高度重视和广泛研究。尽管很多学者对螺旋槽管进行了大量的研究,然而螺旋槽管的强化传热机理和抗结垢能力至今不明朗。
　　 鉴于此,本文运用基于有限体积法的FLUENT软件,对光管和螺旋槽管进行单管管内单相流传热与流动过程的三维数值模拟研究,准确的描述了螺旋槽管的管内流动情况和换热情况,从微观的角度揭示了螺旋槽管的强化传热机理,分析了螺旋槽管的结构参数(槽深e、槽距p、槽宽6、头数n)、雷诺数Re、流体的物性等主要影响因素对螺旋槽管传热性能及流阻性能的影响规律,并根据模拟结果回归出管内对流传热及流阻准则关联式。同时,还对光管和螺旋槽管的抗结垢性能进行了数值模拟研究,分析了螺旋槽管的结构参数(槽深e、槽距p、槽宽6)、雷诺数Re、颗粒直径等主要影响因素对螺旋槽管污垢性能的影响规律。论文得出的主要结论如下:
　　 1、传热性能及流阻性能
　　 (1)换热管的Nu、f模拟结果与经验公式计算结果非常吻合,运用Fluent软件对换热管进行换热及流阻性能的数值模拟研究是可行的,可满足工程要求。
　　 (2)采用Fluent软件很好的模拟了螺旋槽管的管内流动特征与传热特性,从微观的角度上揭示了其强化传热机理。由数值模拟所得到的结论与学者们的实验研究所得到的结论相一致,这为螺旋槽管换热器的数值模拟研究奠定基础。
　　 (3)同等条件下,螺旋槽管的K、Nu、ΔP、f都随着槽深e的增大而增大、槽距p的增大而减小、槽宽b的增大而减小、头数n的增大而减小。Nu随着Re的增大而增大,f随着Re的增大而减小。
　　 (4)相同条件下,Nu与工作介质的物性参数有关,工作介质的粘度小时螺旋槽管的强化传热效率更高,阻力系数.厂与工作介质的物性参数无关。
　　 (5)所有螺旋槽管的努赛尔数Nu都大于光管,其强化传热效果随着螺旋槽管结构参数的不同而有所不同,所有螺旋槽管的阻力系数f都大于光管。对于槽深较深、槽距和槽宽较小的螺旋槽管,其Nu可达光管的2倍,同时阻力系数f可达光管的10倍,管内的强化传热是以阻力为代价的。
　　 (6)根据模拟结果回归出螺旋槽管无相变时管内冷却对流传热努塞尔数Nu、阻力系数f的准则关联式。
　　 2、污垢性能
　　 (1)光管管内局部结垢比较严重,而螺旋槽管相对较优。
　　 (2)在主流区,光管与螺旋槽管结垢情况相差不大；但在近壁区,光管的结垢情况明显比螺旋槽管严重,且在螺旋槽的背流区比来流区更容易结垢。
　　 (3)光管的结垢情况受重力影响较大,光管的底部最容易结垢。而螺旋槽管由于螺旋槽的作用使得结垢情况受重力影响小很多。
　　 (4)同等条件下,槽深较小、槽距较小、槽宽较大的螺旋槽管在雷诺数较小时,具有较好的抗污垢性能。
　　 (5)螺旋槽管的抗污垢性能与污垢的颗粒直径有关,颗粒直径小时,螺旋槽管具有较好的抗污垢性能。