螺旋型表面强化管强化传热研究

1、螺旋型表面强化管强化传热研究方法摘要首先要讲的是强化传热技术和螺旋型表面强化管有关的意义、背景、重要性和研究方式。在场协同理论指导下进行螺旋槽管强化换热机理探讨，利用数值分析方法，从分析流场与温度场的协同配合关系入手，研究场协同理论在螺旋槽管强化传热中应用问题。应用Fluent软件拟合出传热系数与Re关系曲线、摩擦阻力系数与Re关系曲线，Nu较大的几个工况的模拟流场、速度和温度梯度场。最后是将模拟得出的数据及结论与试验结论对比，总结得出结论意义、背景应用广泛动力工业：以火力发电厂为例，蒸汽锅炉本身就是一个大型复杂换热器。燃料在炉膛中燃烧生成热量，需要应用多种传热方式，通过炉膛受热面、对流蒸发受

2、热面、过热器及省煤器加热工质，使工质汽化、过热成为能输往蒸汽轮机的符合要求的过热蒸汽。此外，在锅炉尾部还装有利用排出烟气加热燃烧所需空气的空气预热器。在电厂的热力系统中还装有各式给水加热器、蒸汽凝结器、燃油加热器等。在这些设备中也都存在各种各样的传热问题。制冷工业航空、火箭以及航天工业其它工业中的许多与加热、冷却、蒸馏、供暖有关的各种传热过程重要性换热器在上述各种工业中，不仅是保证工程设备正常运转的不可缺少的部件，而且在金属消耗、动力消耗和投资方面在整个工程中占有重要份额。据统计，热电厂中，如果将锅炉也作为换热设备，则换热器的投资约占整个电厂总投资的 70%左右。螺旋型表面强化管与换热器不同的

3、地方在于，其管壁上具有螺旋型凹槽，近壁流体流动时，将产生一附加的螺旋流动，以提高近壁面流体和管壁间的相对速度，减薄边界层厚度，降低热阻，提高传热系数。螺旋型表面强化管结构简单，成本低廉，用途广泛，结垢少且易清洗，其强化效果明显，与体积、消耗泵功率相同的光管式换热器相比，螺旋槽管换热器可以将总传热系数提高3540。强化传热研究方式利用模拟和可视化技术进行研究。借助激光测速、全息摄影、红外摄相仪等“可视化技术” 和CFD（Computational Fluid Dynamics）数值模拟软件等，才有可能对换热器的流场分布和温度场分布情况进行比较深入的了解，彻底弄清强化传热机理。进行纳米流体的研究。

4、随着换热器表面强化技术的发展，低导热系数的换热工质已成为研究新一代高效换热器的主要障碍。目前要实现更高负荷的传热要求，必须从工质入手。场协同效应的研究。场协同理论把对流换热比拟为有内热源的导热问题，认为对流换热的强化不仅取决于流体的流动和流体的物性，还取决于流场与温度场的协同关系。采用数值计算对流场模拟Fluent软件Fluent 的软件设计基于“CFD 计算机软件群的概念”，针对每一种流动的物理问题的特点，采用适合于它的数值解法在计算速度、稳定性和精度等各方面达到最佳。不同领域的计算软件组合起来，称为CFD 软件群。从而高效率地解决各个领域复杂流动的计算问题。Fluent 软件能够推出多种优

5、化的物理模型，用户可对显式或隐式差分格式进行选择，以期在计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳。对于三维流动，可生成四面体、六面体、三角柱和金字塔等网格；结合具体计算，还可生成混合网格，能对网格进行细分或粗化，或生成不连续网格、可变网格和滑动网格。螺旋槽管几何模型的建立如图 所示螺旋槽管是用于凝汽器的实际尺寸（长度实际为1200mm，为了节省计算时间并考虑精度的允许，构体时取长度为500mm），以下所列为几何尺寸。节距：10mm槽深：0.8mm单头内直径：24mm厚度: 1mm长度：500mm螺旋槽管强化传热网格划分由于非结构化网格在实现复杂区域的剖分中具有强大的优势，它可以不受边界形状的约束而

6、方便地实现合理的网格剖分，所以网格划分采用非结构化网格；考虑到计算时间问题，没有对螺旋槽管的螺旋形凹凸部分进行局部网格加密，最后网格数为 23 万。 螺旋槽管强化传热计算模型选取采用的标准的紊流 k模型。螺旋槽管强化传热计算条件入口温度：284k蒸汽温度：315k外壁换热：20000W/m2k螺旋槽管强化传热物性参数的确定螺旋槽管的材料采用铜，有关参数为：导热系数：387.6W/mk比热：381J/kgk密度：8978kg/m3数值计算结果及分析常用曲线模拟Kv曲线模拟fv曲线模拟基于场协同理论的曲线模拟流场模拟迹线模拟左图反应了传热系数与流速的变化关系，随着流速增加，传热能力越来越强，但从右

7、图又说明传热得到强化是以增加阻力损失为代价的。这两个图的结论与其他学者得到的结论一致，说明了此模拟的正确性。流场模拟对不同流速条件下的等温度线和等速度线进行了流场模拟，在近壁区两者近似平行，说明近壁区处于层流区。为了强化传热，应减薄层流区厚度，这就需要改变壁面形状或增大流速，之后的试验数据也证明了这一点。另外速度为0.6m/s的两幅图的温度等值线与速度等值线的夹角和速度为 1.2m/s 的两幅图的温度等值线与速度等值线的夹角方向相反，也就是说温度与速度夹角方向在这两幅图中不同，这就可能导致场协同效应在此两种速度下产生相反趋势的作用。迹线模拟图 2-16 和图 2-17 分别模拟了流速为 0.9m/s 和 1.2m/s 时的迹线，二者具有明显的不同，旋流对强化换热具有显著影响，与试验结论是一致的。试验结论强化传热效果较好的螺旋槽管,其管内流动的温度场与速度场协同较好;在影响螺旋型表面强化管换热的诸因素中,槽深(螺旋凸起高度)和流速(雷诺数)起主要作用，螺旋升角(相对节距)起次要作用；旋流对换热的强化作用随螺旋升角的增大而降低。结论场协同理论对于指导强化换热具有重要意义，使得我们可以从简单而又清晰的物理