横纹管内流动与传热性

1、2006-01-03横纹管内流动与传热性横纹管内流动与传热性能模拟及优化能模拟及优化化工过程模拟与优化化工过程模拟与优化项目报告项目报告学学 生生: : 洪蒙纳洪蒙纳 文玉良文玉良指导教师指导教师: : 陆恩锡陆恩锡 李秀喜李秀喜2 概 述 数值模拟 结果及分析 结 论 参考文献3概概 述述 设计任务设计任务 应用目前使用较广泛的商业CFD软件FLUENT获得横纹管的传热与阻力性能特征，并比较同等条件下根据经验公式计算的光管的传热与阻力特性，对横纹管的性能有一个量的认识，具体需要获得以下数据：单位长度压降,横纹管阻力系数,横纹管Nusselt数。 4概概 述述 研究背景研究背景 20世纪70年

2、代 石油炼制、石油化工等装置中应用 强化传热机理为:当管内流体流经横向环肋时, 管壁附近形成轴向涡流,增加了流体边界层的扰动,使边界层分离, 从而使流体传热强化。 5概概 述述 研究方案研究方案 利用计算机对横纹管进行数值模拟计算。 分析模拟结果，与光管性能进行比较，得出结论。 6数值模拟数值模拟 数值模拟及数值模拟及CFDCFD概述概述 数值模拟是指对描写流动与传热问题的控制方程采用数值方法 。 CFD（计算流体力学）是把原来在空间与时间坐标中连续的物理量的场（速度场、温度场、浓度场等），用一系列有限个离散点上的值的集合来代替，再通过一定的原则建立起这些离散点上变量之间关系的代数方程（称为离

3、散方程），最后求解所建立起来的代数方程以获得所求解变量的近似值。 7数值模拟数值模拟 计算模型计算模型 横纹管是具有轴对称的粗糙管，其具体结构如下图所示 8数值模拟数值模拟 计算工况计算工况 与光管性能进行比较，计算在充分发展条件下进行，并分别在给定速度范围内（525m/s）选取若干个速度点进行计算，流动介质为炉膛烟气。9数值模拟数值模拟 计算工况计算工况 烟气的物性参数如下表 tCp 106Prkg/m3J/(kgK) W/(mK) kg/(ms)3000.61711220.048428.20.655000.45711850.065634.80.637000.36312390.082740.

4、70.619000.30112900.145.90.5810000.27513060.1094.840.5710数值模拟数值模拟 计算工况计算工况 光管经验公式 4 . 08 . 0PrRe023. 0sNu25. 0Re3164. 0sf 22. 0ssffNuNu11数值模拟数值模拟 控制方程控制方程 通用形式 ()()()divUdivgradSt 12数值模拟数值模拟 控制方程控制方程 连续性方程 动量方程 能量方程 0jjxukiiikikuuxxuxxpiiipixTxTucx13数值模拟数值模拟 湍流模型及边界条件湍流模型及边界条件 采用k双方程模型 进口采用周期性条件 壁面采用

5、等热流密度14数值模拟数值模拟 数值模拟过程数值模拟过程 计算区域图 15数值模拟数值模拟 数值模拟过程数值模拟过程 二维轴对称示意图如右: 迭代过程图如下 :16结果及分析结果及分析 以烟气温度为500，入口平均流速为15m/s 时为例 速度分布云图 17结果及分析结果及分析压力分布云图 18结果及分析结果及分析温度分布云图 19结果及分析结果及分析 500500度时的数据度时的数据速度速度m/sm/sReynoldsReynolds数数压降压降Pa/mPa/m横纹管阻力系数横纹管阻力系数光管阻力系数光管阻力系数5 52757.762757.76105.6105.60.77610.77610

6、.04370.04377.57.54136.644136.64173.6173.60.56720.56720.03950.039510105515.525515.52267.2267.20.49110.49110.03670.036712.512.56894.46894.4350.5350.50.41230.41230.03470.034715158273.288273.28497.7497.70.40660.40660.03320.033217.517.59652.169652.16649.0649.00.38950.38950.03190.0319202011031.0411031.047

7、91.0791.00.36350.36350.03090.030922.522.512409.9212409.92979.1979.10.35550.35550.03000.0300252513788.813788.8997.8997.80.29350.29350.02920.029220结果及分析结果及分析 500500度时的数据度时的数据阻力系数阻力系数比比横纹管横纹管NusseltNusselt数数光管光管NusseltNusselt数数NusseltNusselt数比数比综合因综合因子子17.775517.775530.116230.116210.812710.81272.78532.

8、78531.47881.478814.377114.377138.703138.703114.955714.95572.58792.58791.43961.439613.376913.376948.904848.904818.826018.82602.59772.59771.46821.468211.874911.874961.557561.557522.505322.50532.73522.73521.58701.587012.256412.256470.330770.330726.039326.03932.70092.70091.55621.556212.203412.203477.725

9、777.725729.456929.45692.63862.63861.52181.521811.773111.773183.715283.715232.777932.77792.55402.55401.48471.484711.859211.859288.839188.839136.016636.01662.46662.46661.43161.431610.050610.050692.393692.393639.184039.18402.35792.35791.41921.419221结果及分析结果及分析 500500度时的数据分析结果度时的数据分析结果 横纹管、光管的努塞尔数 横纹管、光管

10、的努塞尔数之比 22结果及分析结果及分析 500500度时的数据分析结果度时的数据分析结果横纹管、光管的阻力系数 横纹管、光管的阻力系数之比 23结果及分析结果及分析 500500度时的数据分析结果度时的数据分析结果 横纹管的综合性能评价 24结果及分析结果及分析 不同温度时的数据及处理结果 速度速度m/sm/s不同温度下横纹管的不同温度下横纹管的NusseltNusselt数数t=300t=300t=500t=500t=700t=700t=900t=900t=1000t=10005 551.606851.606830.127830.127821.342121.342116.832616.83

11、2614.622114.62217.57.555.674655.674639.166539.166527.204027.204020.200220.200217.615217.6152101068.037768.037750.315350.315333.868733.868724.741824.741821.372121.372112.512.581.478881.478853.704453.704440.274640.274629.422629.422625.297125.2971151587.952387.952356.295956.295946.387046.387034.086134.

12、086129.268029.268017.517.592.766992.766966.607066.607052.185052.185038.630638.630633.144533.1445202098.647698.647682.754582.754557.706957.706943.001943.001937.012937.012922.522.5105.1665105.166588.801288.801262.972762.972747.234847.234840.746340.74632525111.4325111.432593.905493.905468.026068.026051

13、.283651.283644.387044.387025结果及分析结果及分析 不同温度时的数据及处理结果速度速度m/sm/s不同温度下横纹管的阻力系数不同温度下横纹管的阻力系数t=300t=300t=500t=500t=700t=700t=900t=900t=1000t=10005 50.75070.75070.77760.77760.74310.74310.70620.70620.60040.60047.57.50.26390.26390.57800.57800.54160.54160.49450.49450.46790.467910100.25970.25970.58800.58800.4

14、7570.47570.43800.43800.41110.411112.512.50.25210.25210.42000.42000.42110.42110.40520.40520.38160.381615150.16720.16720.34420.34420.37440.37440.38050.38050.36170.361717.517.50.18670.18670.27660.27660.33870.33870.35650.35650.34330.343320200.18840.18840.42220.42220.31170.31170.33420.33420.32930.329322.

15、522.50.15090.15090.39860.39860.29270.29270.31490.31490.31510.315125250.12260.12260.36980.36980.28110.28110.29850.29850.30210.302126结果及分析结果及分析 不同温度时的数据及处理结果不同温度时的数据及处理结果速度速度m/sm/s不同温度下横纹管的综合因子不同温度下横纹管的综合因子t=300t=300t=500t=500t=700t=700t=900t=900t=1000t=10005 51.62951.62951.47871.47871.49211.49211.579

16、51.57951.61861.61867.57.51.56431.56431.45091.45091.44161.44161.44951.44951.45641.456410101.50011.50011.45191.45191.44401.44401.42581.42581.42161.421612.512.51.49411.49411.37891.37891.45751.45751.42531.42531.41341.413415151.51051.51051.29221.29221.47401.47401.43251.43251.41581.415817.517.51.36301.363

17、01.40621.40621.48591.48591.44351.44351.42161.421620201.29041.29041.42011.42011.49291.49291.45401.45401.42921.429222.522.51.30621.30621.39541.39541.49351.49351.46321.46321.43651.436525251.32381.32381.37091.37091.48761.48761.46891.46891.44341.443427结论结论 结果表明,此种尺寸的横纹管传热性能在Re为2000-16000范围内是光管的1.8-2.8倍,阻力是光管的4.7-17.7倍,综合性能是光管的1.29-1.63倍。在湍流范围内,随着Re的增大,传热强化效果逐渐减弱。因此,此种横纹管在弱湍流范围内具有较好的强化传热性能。28参考文献参考文献 Patankar S V. Numerical Heat Transfer and Fluid Flow. McGraw-Hill, New York, 1980 B.E.Launder, D.B.Spalding. Mathematical Models of Turbulence.Academic Press, New York,1972 陶文铨. 数值