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塑料斜齒平帶管內三維流動及強化傳熱的數值模擬點擊：1814 日期：[ 2014-04-26 21:35:52 ] |
| 塑料斜齒平帶管內三維流動及強化傳熱的數值模擬 舒均杰1,李群松1,俞天蘭2,劉躍進3,彭德其2 (1·湖南省化工職業技術學院,湖南株洲412004;2·湖南工業大學機械清洗研究所,湖南株洲412008;3·湘潭大學化工學院,湖南湘潭411105) 摘要:利用Fluent 6·2及輔助軟件對傳熱管內置帶旋流口的塑料橢圓斜齒平帶的流體流動及強化傳熱進行了計算機三維數值模擬,分析并比較了光管與有內置橢圓斜齒塑料平帶的情況下管內流速、湍流度以及對流傳熱系數的分布改善情況。結果表明:平帶管內流體的流動是以螺旋流動為主的復雜的三維流動;由于平帶的擾流作用,使得平帶管內流速、湍流強度得到了很大程度的提高,有效抑制了管內壁污垢的沉積,強化了傳熱,平帶管內側的平均傳熱系數較光管提高了45%,平帶所帶來的管路壓降在工程許可的范圍內,適用于流速低于0·8m·s-1的換熱器中。 關鍵詞:斜齒平帶; RNGk-ε模型;數值模擬;強化傳熱 中圖分類號:TK 124 文獻標識碼: A文章編號:0438-1157 (2009) 08-1926-06 引 言 換熱管內強化傳熱和減少結垢的研究和性能提高一直是國內外研究的熱點,在現有的在線、自動、連續清洗技術研究中,有螺旋絲、螺旋線管、扭帶等。帶有旋流口橢圓斜齒的塑料平帶是一種創新型結構,它具備在線、連續自動清洗管內污垢及強化傳熱的功能,由于其特殊的斜齒及旋流口結構,使得平帶所需驅動力矩極小,能適用于大多數低流速換熱設備[1-2],其工作原理如圖1所示。 在每根換熱管的流體進口端安裝一根斜齒塑料平帶,利用流體自身的動能使平帶旋轉,旋轉的平帶不斷刮掃和撞擊管內壁,從而達到清洗管內污垢、抑制污垢沉積的目的。同時自轉平帶頻繁擾動邊界滯流層,使管內對流傳熱過程中熱阻最大的邊界滯流層的傳熱過程得到了有效的強化[1],流體湍流度提高,并以此達到降低能耗、提高生產能力的目的。文獻[2]對平帶斜齒所產生的阻力作了比較試驗,結果表明:在低流速換熱器中,流體阻力在工程容許的范圍之內,因而它有著廣闊的應用前景[2-4]。 在研究方法上以往大多以試驗為主,對于復雜的管流,人們對于流場的認識也僅僅能從理論上作出解釋,而確切掌握流場的特性,對于了解其傳熱強化機理非常重要。本文采用RNGk-ε湍流模型[5]對帶有旋流口的橢圓斜齒塑料平帶進行了計算機三維數值模擬,與文獻[6]所研究的對象不同,并且從幾何建模至網格的劃分,難度均比較大。管內斜齒平帶強化傳熱的三維數值模擬國內外尚未見報道。 1·模型的建立 1·1 數學模型 由于平帶管內流場較光管、扭帶管復雜,各向速度、湍流度變化幅度比較大,故采用RNGk-ε湍流模型進行計算。該模型來源于嚴格的統計技術,它和標準k-ε模型很相似,但是有其自身的特點。RNG理論提供了一個考慮低Reynolds數流動黏性的解析公式,并在ε方程中加了一個條件,有效改善了精度。它還考慮了湍流旋渦,提高了在這方面的計算精度。另外該模型在強流線彎曲、旋渦和旋轉預報能力方面得到了明顯的加強[7-9],所有這些特點使得RNGk-ε模型比標準的k-ε模型及其他湍流模型在更廣泛的流動中具有更高的可信度和精度,盡管最新出現的帶旋流修正的k-ε模型在各方面均有比較好的表現,但到目前為止還沒有確鑿的證據表明它比RNGk-ε模型更好。 RNGk-ε模型中湍流動能k及湍流動能耗散率ε的雙方程如下： 式(2)中Rε作為附加生成項代表平均應變率對ε的影響。因該項的存在,使得RNGk-ε模型比標準的k-ε模型對瞬變流和流線彎曲影響的預報能力大大加強： 1·2 幾何模型及參數 忽略圖1中管口軸承裝置,在三維軟件Pro/e中建立平帶的三維幾何模型,由于本文要研究的是管內流體,因此在建模時只需要將管內平帶部分畫出即可,管壁可不建模。然后以stp文件格式輸出至Gambit中進行模型的修補完善,以管內直徑建立一與平帶同軸圓柱體,并與平帶實體進行布爾(相減)運算,再對最后生成的實體進行網格劃分。 圖2 (a)為所建幾何模型,圖2 (b)為局部網格放大圖。根據文獻[10]各參數的設定如下:換熱管內直徑D=36 mm,計算取樣長度L1=550 mm,管內塑料平帶寬度B=30 mm,平帶長度L2=500mm,平帶厚度h=2 mm,齒間距T=120 mm,旋流口與斜齒緊鄰,旋流口面積大小為管內橫截面面積的50%,斜齒安裝角度(橢圓長軸與管子直徑方向的夾角)γ=35°(見圖1)。 2·數值模擬 2·1 前提條件 在計算過程中假設:①入口處不存在旋流裝置,為便于比較,距離入口處50 mm才設有斜齒平帶(已在模型中體現);②平帶為一剛性構件,在工作時不存在擺動及變形的現象。 2·2 計算方法 采用Fluent 6·2流體分析軟件對安裝有帶旋流口的斜齒塑料平帶的管內流體進行三維數值模擬。使用三維隱式分離求解器,控制方程的離散采用有限單元體積法,各標量的離散值采用單元中心點存儲,動量分量、湍動能分量和耗散率均采用具有二階精度的二階迎風插值格式;壓力、速度耦合采用SIMPLEC算法。 2·3 邊界條件設置 (1)流體進口邊界條件 管內流體為水,進口速度Uin=0·8 m·s-1,進口溫度Tin=300 K。對于完全發展的管流,其湍流強度I= 0·16(ReDH)-1/8(DH為水力直徑,對完全發展的管流,DH=D),ReDH為按水力直徑DH計算得到的Reynolds數： (2)流體出口邊界條件 采用壓力出口條件,設定出口壓力0·6 MPa,出口回流也采用湍流強度及水力直徑法。 (3)管內壁面邊界條件 管內壁壁面采用無滑移的固定壁面,為恒溫加熱,取溫度TW=370 K。 (4)設定平帶壁面為絕熱邊界條件,即熱流為零,兩者均無生成熱,與流體的相對旋轉速度n=0 r·min-1。 (5)流體部分繞管中心軸線(y軸)的旋轉速度由試驗測量確定,n=150 r·min-1。 2·4 模型網格及其參數 計算區域取整個模型范圍,y方向為管子的軸向。網格的劃分采用Tet/Hybrid, Type項選擇TGrid單元,計384303個單元。在管內壁和平帶壁設置邊界層,第一層網格為0·15 mm,隨后以1·2的比例增長,計4層,其余網格大小均設置為2 mm,多次數值模擬的結果對比表明,據此劃分網格能確保數值模擬結果準確。 3·計算結果及比較 3·1 管內流線分布 經過300次迭代計算,x、y、z三向速度、湍流能量等各項數據指標與迭代5次時的殘差值比較下降了近3個數量級,并繼續呈穩定下降趨勢,但變化值已經很小,監視顯示均已收斂。從流線比較圖3可以看出:由于管內安裝了非軸對稱的塑料斜齒平帶,與塑料扭帶相比管內流體不再呈規整的螺旋線[6],而未裝平帶段部分流線較為規整。管內流體的流動是以螺旋線為主的、復雜的、不規則的三維流動,與光管相比,流體的湍動程度顯著增大。 3·2 速度場的分布 在平帶管及光管的各個高度處取截面,并分別將各個截面的速度繪制成圖4。從圖中可以看出在光管內流體速度在管壁附近由于滯流層的緣故速度較小,而在滯流層外流速基本一致,在管中心處最大(最大值約為0·88 m·s-1),與理論分析結果一致;而平帶管內,由于平帶的擾流作用,邊界層減薄,在靠近管壁處可以得到較大的流速(管壁處也達到了0·27 m·s-1),在管中心位置流體速度低于光管流速,但也只是一個較小的區域,而在平帶與管壁的空隙處獲得了比較大的流速。圖5是各高度截面處的切向速度分布。由圖可知:在平帶管內存在較大的切向速度,盡管光管內也存在,但其值均遠遠小于平帶,幾乎接近于0。 管內軸向(y向)速度的分布也是在平帶管與光管中取幾個軸向截面來說明,如圖6所示。由圖可以看出:在管中心(平帶回轉)很小的區域內流體流速小于光管,而在其他區域平帶管的流速明顯比光管的大(因建模的原因,入口速度是沿y軸負方向,所以出現負值),在平帶與管壁的間隙區域流體的軸向速度達最大值。近管壁區域流速的增大,有利于邊界層的減薄,強化傳熱。 3·3 湍流度的分布 正是由于平帶的擾流作用,管內流體的湍流程度較光管有大幅度的增大。分別在平帶管及光管的軸向位置y=170、350 mm處取截面,得出各截面上流體湍流強度分布圖(圖7)。從圖中可以看出:對平帶管而言,由于平帶的擾動,管內湍流度在管中心區域明顯增大,且平帶管的任何橫截面處的湍流強度都比光管的大。在170 mm截面處I最大達到0·135。由于斜齒平帶為非軸對稱結構,因此其湍流強度的分布沒有規律;而在光管情況下,不同橫截面沿直徑方向湍流度的分布規律基本上一致,由于管壁熱邊界的影響,均是隨半徑的增大而呈增大的趨勢。 3·4 傳熱系數的分布 在管子軸向(y向) 110、170、350 mm高度處分別取截面,得出平帶管與光管指定截面處管壁面的傳熱系數K的比較圖(圖8)。從圖中可以看出:平帶管由于平帶的擾流作用傳熱系數K明顯大于光管。經計算,光管壁面K的平均值為2898·95 W·m-2·K-1,平帶管壁面K的平均值為4205·15 W·m-2·K-1,比空管提高近45%,是光滑扭帶的1·2倍[12],比5#樣帶實驗測量平均提高的54%低得較多[2]?；驹蛟谟谟嬎隳Ｐ蜆訋У凝X距120 mm,比5#樣帶齒距70 mm大得多所致。 4·管內流體流動壓降 4·1 平帶阻力分析 由于管內平帶的存在,會對流體產生一定的阻力,為此對各種平帶進行流體阻力對比試驗。5種類型的平帶分別為1#、2#、3#、4#、5#(齒距/斜齒安裝角度分別為60 mm/45°、90 mm/25°、90mm/35°、60 mm/35°、75 mm/35°)。 試驗中兩測量點之間的距離為800 mm,采用WP-DO22P3M2B3型智能差壓儀測量?？紤]工程應用的簡便,將試驗結果表示為每米帶的阻力,得出試驗曲線如圖9所示。由圖可以看出, 3#、4#、5#阻力大小順序為4#>5#>3#; 2#、3#帶子的齒距同為90 mm,但是3#帶的齒斜角大, 3#帶的阻力大于2#帶。所以,齒距越小,阻力越大;齒斜角越大,阻力越大。 這種結構的平帶是專為較低流速(0·8 m·s-1以下)的傳熱管研制的。在此流速范圍內應用,即使阻力最大的4#帶,在流速0·75 m·s-1時,對4管程、傳熱管長度為6 m的設備,總阻力也只有0·08 MPa。顯然,在一般工程應用的容許范圍內[2]。 4·2 平帶管內阻力模擬分析結果 水平放置的管道若無外功加入,則進出口截面壓差的絕對值等同于此兩截面之間的管路阻力損失。模擬采用的平帶齒距T=120 mm,安裝斜角為35°,通過Fluent數值模擬,從輸出報告可知:在流速0·80 m·s-1時,平帶管進口壓力為0·602MPa,出口處為0·6 MPa,則壓差(即壓降)Δp=0·002 MPa,每米帶的壓降為0·0036 MPa,與圖9的3#試樣的試驗結果接近。圖10為平帶管進出口壓降云圖,左端為進口。 5·結 論 (1)由于斜齒平帶是非軸對稱構件,因此管內流體的流動是以螺旋線為主的復雜的、不規則的三維流動,與光管、扭帶管均不相同。 (2)平帶管內速度場分布與光管相比發生了根本性的變化。平帶管內存在較大的軸向、切向速度,而光管內的切向速度幾乎為0。在平帶管近管壁區域軸向(y向)速度的增大,有利于減薄邊界層;在平帶與管壁環縫區域,流體也有明顯的切向運動,平帶管的切向速度比光管隨機的切向運動速度呈數量級增長;流體切向速度的增大有利于加強流體的徑向混合,從而使對流換熱過程得到強化。 (3)平帶管中由于平帶的擾動,增大了管內流體的湍流強度,有利于對流傳熱過程的強化,其分布沒有規律,且平帶管的任何橫截面處的湍流強度都比光管相應截面處的湍流強度要大;光管中湍流強度呈規律性分布。 (4)旋流口橢圓齒平帶的傳熱強化效果很好,平帶管壁面的平均表面傳熱系數比光管的大,管內側表面傳熱系數比光管提高近45%。 (5)旋流口橢圓斜齒平帶的管道阻力在一般工程容許的范圍內,因而在數量眾多的低流速(低于0·8 m·s-1)換熱器中有著廣闊的應用前景。 參考文獻：略 |
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