水-油换热器管道流动优化数值模拟

题目水-油换热器管道流动优化数值模拟学生姓名学号专业班级设计（论文）内容及基本要求设计要求：一、采用理论分析和CFD数值模拟方法对水-油管道流动进行优化数值模拟工作。对不同形式的管道流动的流动状态以及传热特性进行分析对比从而达到优化设计的目的。二、内容要求：1.阅读收集技术文献资料（其中期刊、会议论文不少于6篇），理解设计任务，按学校有关要求完成开题报告一份（前4周完成），包括本课题研究意义、国内外研究现状、研究内容及方法、详细的阶段进度时间计划等内容；2.翻译相关外文资料一篇，原文不少于15000个印刷符号；3.熟悉并熟练掌握FLUENT数值模拟软件，并对换热器凹槽管管道和波纹管管道的换热进行数值仿真分析；4.完成设计说明书一份（30页左右）；5.绘制有关技术图纸,图幅合计1张图纸0#；6.所有正式文件均用A4纸张打印；7.提交内容一致的电子文档和纸质文档各一份；设计（论文）起止时间20年月日至20年月日设计（论文）地点指导教师签名年月日系（教研室）主任签名年月日学生签名年月日

水-油换热器管道流动优化数值模拟摘要:以水作为流动介质，应用三维常物性不可压缩流体稳态湍流流动模型，对凹槽管，波纹管内的流动及传热性能进行了数值模拟研究，并与光滑圆管进行了对比。针对波纹管和凹槽管管内流体流动的特点，波纹管采用RNGκ-ε湍流模型，凹槽管用标准流模型，对等壁温边界条件下管内流体三维流动进行数值模拟。本文研究了流速分别为0.5m/s、0.8

m/s、1.0m/s

、1.2

m/s时，在管径16mm，管长1800mm的波纹管中的流动及传热特性。同时，本文对入口雷诺数分别为6000、12000、18000、24000的低温流体流过较高壁温的凹槽管时的流动换热特性进行了数值模拟分析。经过模拟计算得出了流动与换热进入充分发展阶段时的不同截面处的温度、速度、湍流动能分布云图。模拟结果表明对于所选结构的波纹管和凹槽管，换热量随水流速度的增加而增大，同时湍流强化传热效应增强，凹槽管、波纹管均比相同管径的光管综合换热性能强。关键词：强化传热；凹槽管；波纹管；数值模拟；传热特性

Numerical

Simulation

for

Flow

Optimization

of

Water

Oil

Heat

Exchanger

PipesAbstract:Thefluidflowcharacteristicsandheattransferperformanceinflutedtubeandcorrugatedtubeswerenumericallyinvestigatedandcomparedwithsmoothtube.Itisthree—dimensionalsteadyincompressibleturbulenceflowandwaterastheworkingmedium．Duetothespecialcharacteristicsofflowfield,corrugatedtubeswasperformedbyusingtheRNGk–εturbulencemodelandflutedtubewasperformedbyusingthestandardk-εturbulencemodelforthewalltemperatureisconstantinthetubes.Thecharacteristicsofturbulentflowandheattransferincorrugatedtubesofthediameter16mmandthelength18000mmwerestudiedindifferentconditionofthevelocityofflowat0.5m/s,0.8m/s,1.0m/s,1.2m/s.Atthesametime,thecaseswhichthefluidindifferentReynoldsnumberof6000,12000,18000,24000flowsoverflutedtubewithhigherwalltemperatureweresimulated.Thetemperature,velocitydistribution,pressure,turbulenceintensityatdifferentsectionsforfullydevelopedfluidwereobtained,whichwerecomparedwiththeresultsofsmoothtubes.Thenumericalresultsshowedthatthequantityofheattransferincreasedwiththerisenofthevelocity,andturbulentenhancedastheheattransferstrengthened.Itwasfoundthatthecorrugatedtubesandflutedtubecansignificantlyenhancetheheattransferunderthesamediametercondition.Keywords:corrugatedtubes;flutedtube;Heattransferenhancement;Numericalsimulation;Heattransfer②是由流体相关物性参数所组成的一个无量纲数,多用来表明温度边界层和速度边界层之间的关系,其值的大小反映流体物理性质对对流换热过程的影响强弱。其定义为:（2-5）上式中,为运动粘度;为热扩散系数;为定压比热容。2.2数值模拟计算方法2.2.1FLUENT简介作为CFD软件包的一种,FLUENT对流体运动数值模拟的准确性和专业性越来越得到研究人员的广泛认可,使其成为国际上非常流行的商用CFD软件,其在美国的市场占有率超过60%,凡是和流体、热量传递和化学反应等相关的行业均可以采用。FLUENT具有丰富的物理模型、先进的数值计算方法和强大的前后处理器功能,在流体机械、车辆工程、石油化工和航空航天等相关方面都有非常广泛的应用。另外,FLUENT还提供有用户自定义函数(UDF),可以方便研究人员改进和完善所采用的计算模型,从而可以更加方便的处理个性化的问题。用FLUENT软件求解问题,一般需要用到三大部分软件:前处理软件、求解器、后处理软件。其中前处理软件的主要功能是创建研究对象的几何模型,对几何模型进行网格划分操作并设置相应的边界条件,主要软件包括GAMBIT、TGrid、prePDF、GeoMesh等。GAMBIT用于几何模型的创建和相应的网格划分操作,可以生成FLUENT直接使用的网格文件,另外FLUENT还提供各类CAD/CAE软件包与GAMBIT的接口,这样就大大增强了前处理器对复杂几何模型的建模能力;求解器是FLUENT流体计算的核心,其主要功能是导入由前处理器或其他CAD/CAE软件包所生成的网格文件、选择流体计算的物理模型、确定材料属性、施加相应的边界条件、流场初始化、仿真计算和后处理等;一旦所生成的网格文件成功读入到FLUENT中,所有剩下的操作都可以在FLUENT里面完成,其中包括选择流体计算的物理模型、确定材料属性、设置相应的边界条件、流场初始化、仿真求解、根据计算结果进一步优化网格质量、对仿真结果进行相关的后处理操作等;FLUENT本身附带有强大的后处理功能,可以进行一些图像显示、动画生成、生成计算报告等操作。此外,用户还可以借助专业的后处理软件Tecplot或CFD-Post进行相关的后处理操作,不仅可以绘制函数曲线、二维图形,还可以根据实际需要进行三维面绘图和三维体绘图,同时还可以提供多种多样的图形格式。当遇到一个需要用FLUENT求解的流体问题时,我们需要按照一定的思路对所要求解的问题进行分析,制定出相应的求解方案。FLUENT的求解思路一般分为以下几步:(1)确定计算目标确定通过FLUENT仿真需要得到什么样的结果,如何得到这些结果,这些结果需要采用什么样的精度设置;(2)选择计算区域对所要数值模拟的整个物理模型系统进行抽象概括和相应的简化处理操作,确定出计算区域具体包括哪些区域,在模型计算区域的边界上需要使用什么样的边界条件,几何模型需要采用二维处理还是三维处理,哪些拓扑结构最适合所要研究的对象;(3)选择物理模型由于FLUENT中每一种具体的物理模型都有其相关的参数设置,所以在进行数值模拟前,我们需要考虑好选择什么样的物理模型;(4)决定求解过程我们需要确定所要研究的对象是否可以直接利用FLUENT现有的计算公式和算法求解,是否还需要我们提供其它一些相关的参数,是否可以通过修改一些相关的参数设置来使数值仿真更快收敛。在分析完上面四个方面的问题以后,我们就可以对FLUENT的整体计算过程有一个清晰认识,这样就可以较正确的开始使用FLUENT进行数值仿真了[6]。2.2.2数值模拟思想与理论在科技发达的今天，产品的研发具有快节奏的特点，强大的数值仿真技术已成为提高竞争力的关键因素之一。仿真的价值不仅仅是能够引导设计，而且能够用来开发探索那些新颖的，富有创造性的设计思路。在对流传热问题的研究中，数值计算方法已经得到的长期的使用，其可靠性较好，数值结果贴近实际，能帮助我们精确分析研究中的关键影响因素，并能给出优化的设计建议。本文利用Fluent软件对相同管径的光滑圆管与波纹管，和相同管径的凹槽管与光滑圆管管内流体的流动状态和特性进行数值研究。现实的世界中，流体流过固体表面发生的对流传热在时间和空间上都具有连续性，在数学上我们描述各种流体流动与传热现象时采用的是偏微分方程加上各种边界条件的形式，虽然在数学上已经有了不少解析解，但是对于绝大部分工程应用，常采用数值分析的方法得到实际问题的近似解。数值传热学的基本思想就是：把时间和空间上连续的物理场离散化，用有限离散点处的变量值的集合来近似替代，通过离散方程建立离散点上各个变量之间的关系，然后求解代数方程来获得各个变量的近似解。2.2.3流动与传热问题的控制方程流体的流动与对流传热必须遵守三大守恒定律：质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律，下面列出了这些定律微分形式的控制方程[7]。质量守恒方程（2-6）式中为密度（）,t为时间（s）,,,为速度在x,y,z三个方向的分量（m/s）动量守恒方程（2-7）（2-8）（2-9）式中P为压强（），、、粘滞力的分量（），、、为单位质量力的三分分量（）能量守恒方程（2-10）式中E为流体微团的总能，为焓，为有效热传导系数，为组分的扩散通量，为体积热源项。2.2.4湍流模型湍流是工程领域中比较常见的流体流动状态，其重要性不言而喻。Fluent提供了丰富的湍流计算模型，工程上最常用的是和这两类模型。标准（SKE）模型参数通过试验数据校验过，多数情况下具有合理的精度和稳定性，但是对强分离流、强旋转流、大压力梯度及大曲率流动模拟精度不够；RNG模型（重组化群模型）方程中的常数由重正规化群理论分析得到，修正了耗散率方程，对一些复杂的剪切流，含有漩涡、分离的流动效果比SKE要好；Realizable模型（可视化模型RKE）其耗散率()方程由旋涡脉动的均方差导出，适用范围比较广，精度高于RNG模型，对旋转，分离，回流等现象能够更好的预测。标准方程模型是建立在如下假设基础上的：流体为完全湍流流动，忽略分子粘性。湍动能k方程为：（2-11）耗散率方程为：（2-12）这两个方程中和分别表示平均速度梯度和浮力因素引起的湍动能；表示总耗散率受到脉动膨胀的影响。其中大小为1.44，大小为1.92，大小为0.09，和为湍流普朗特数，大小分别为1.0，1.32.2.5SIMPLE算法在对控制方程离散化之后，可建立相应的离散方程，但是除了如已知速度场求温度分布这类简单的问题外，所生产的离散方程不能直接用来求解，还必须对离散方程进行某种调整，并且对各未知量(速度、压力、温度等)的求解顺序及方式进行特殊处理。SIMPLE算法是目前工程上应用最为广泛的一种流场计算方法，它属于压力修正法的一种。SIMPLE是英文Semi．ImplicitMethodforPressure—LinkedEquations的缩写，意为“求解压力耦合方程组的半隐式方法’’。该方法由Patankar与Spfldmg于1972年提出，它的核心是采用“猜测．修正’’的过程，在交错网格的基础上来计算压力场，从而达到求解动量方程的目的。SIMPLE算法的基本思想可以描述如下：对于给定的压力场，求解离散形式的动量方程，得到速度场。因为压力场是假定的或不精确的，由此得到的速度场一般不满足连续方程，因此必须对给定的压力场加以修正。修正的原则是：与修正后的压力场相对应的速度场能满足这一迭代层次上的连续方程。据此原则，把动量方程的离散形式所规定的压力与速度的关系代入连续方程的离散形式，从而得到压力修正方程，由压力修正方程得出压力修正值。接着，根据修正后的压力场，求得新的速度场，然后检查速度场是否收敛。若不收敛，用修正后的压力值作为给定的压力场，开始下一层次的计算。如此反复，直到获得收敛的解[7]。

第3章基于Fluent的换热器管道流场模拟3.1强化换热凹槽管内流动与传热数值模拟3.1.1问题概述本研究采用Gambit前期软件建立模型，研究强化换热管为凹槽管在不同速度下的传热特性以及流动状态，并与相同尺寸的普通光滑圆管对比分析。管壁材料都为铜，其物性参数为=8978，=381，=387.6。图3-1为光滑圆管物理模型，图3-2为凹槽管的物理模型。光滑圆管与凹槽管的管径均为0.03m。凹槽管的总长度为0.54m，高为0.003m，每隔0.04m有一个宽为0.01m的凹槽，共10个[8]。图3-1光滑圆管物理模型图3-2凹槽管的物理模型管壁为恒温，管内有低温水流过。高温管壁向管内的低温水传递热量。忽略重力影响，入口处水的初温为300K，湍流度为15％管内流体雷诺数变化范围为。本研究采用常物性不可压缩流体的三维稳态湍流模型，控制方程包括：质量守恒方程、动量方程、能量方程以及标准模型方程。采用非结构化网格对所建立的几何模型计算区域进行离散，利用有限体积法离散方程、非耦合的稳态隐式格式求解。采用标准湍流模型计算模拟管内湍流时的流动和传热情况。压力与速度的耦合计算采用SIMPLE方法，动量、湍动动能、湍流脉动耗散率以及能量方程为二阶迎风格式。边界条件的设置：入口为速度边界条件；出口为流动出口边界条件；壁面采用无滑移壁面条件，忽略壁面厚度，采用恒壁温条件，壁温为350K。流体的入口速度和雷诺数见表。为了与光滑圆管的换热效果进行对比，模拟光滑管时其模型和边界条件和凹槽管一致。表3-1流体的入口速度和相应的雷诺数雷诺数6000120001800024000入口速度m/s0.1610.3220.4830.6443.1.2Fluent的计算步骤3.1.2.1处理网格网格处理包括网格的输入、检查、光顺、比例转换和显示等操作。读入网格文件，进行网格检查。控制台窗口中会显示与网格有关的信息，包括网格空间范围、体积信息、表面积信息、节点信息等等。网格中存在的任何错误都会出现在这个信息报告中，其中最需要检查的是网格单元的体积不能为负值，否则计算将无法继续下去。本例网格良好无错误。按比例调整网格，调整单位，统一单位为m。显示网格。由于面板显示太小，我们将局部放大显示网格可以清晰的看到网格分布，如图3-3。图3-3网格显示3.1.2.2计算模型设置求解器参数，选择三维非耦合的稳态隐式格式求解。模型选择标准湍流模型k-epsilon(2eqn)，即两方程模型。接受系统对模型的缺省设置。然后启用能量方程并激活能量计算（在打开的对话框EnergyEquation左侧选择框内打勾）3.1.2.3定义材料性质在材料库中选择液态水，并复制其属性。密度998.2,比热容=4182，热导率，粘度。3.1.2.4定义边界条件将流体材料设置为液态水（water-liquid），速度入口边界条件速度设为0.483m/s湍流强度为15%，湍流长度0.0021m(0.07倍的水力直径)，入口温度为300K。流动出口边界，FlowRateWeighting设为1。壁面材料属性设为铜，密度8978，比热381，热导率387.6。设定温度为350K。3.1.2.5求解过程参数设置完毕并检查无误后，便可以开始流场计算，压力与速度的耦合计算采用SIMPLE方法，动量、湍动动能、湍流脉动耗散率以及能量方程为二阶迎风格式。如图3-4，初始化流场，设置残差监视器开始迭代计算，经过九十多次计算后结果收敛。图3-4求解方式面板图3-5残差图3.1.3凹槽管与光滑圆管模拟结果对比分析选定凹槽管与光滑圆管在垂直轴线X轴三个不同位置处，速度，温度以及湍动能分布云图，对比分析。如图3-6和图3-7分别表示凹槽管和光滑圆管在入口速度V=0.483m/s时，在三个不同位置截面处的速度场云分布图。图3-9和图3-10分别表示凹槽管和光滑圆管在入口速度V=0.483m/s时，在三个不同位置截面处的温度场分布云图，图3-11和图3-12分别表示凹槽管和光滑圆管在入口速度V=0.483m/s时，在三个不同位置截面处的湍动能分布云图。X=0.13mX=0.13mX=0.27mX=0.27mX=0.40mX=0.40m图3-6V=0.483m/s凹槽管内不同图3-7V=0.483m/s光滑圆管不同截面处速度场分布云图截面处速度场分布云图3.1.3.1速度场分析从图3-6和图3-7中可以看出，光滑管内流体的流动速度在近壁面处梯度比管内其它地方的速度梯度显然要大，在管道中间部分流体的速度梯度相对来说比较稳定，而且在流道中间部分的流体流速最大，管内流体的流动速度沿着垂直于传热管轴向的方向在不断地变小，同时流体流动速度方向不沿管道轴向发生改变，这是由于壁面剪切力的存在造成的，在传热管内近壁面处的流体的流动速度比其它地方的速度要小。同样在凹槽管内流体的流动速度也是在管道中间部分最大，在壁面处流体流动速度较小，尤其是凹槽的凸起里面的流体。比较图3-6和图3-7光滑圆管和凹槽管速度场，可以从这两个图中观察到，光滑圆管管内流体的流动比较平稳，沿着流体流动的方向流体的速度平坦而且速度方向没有任何改变。相比之下，凹槽管内的流体在流动过程中速度变化梯度比较明显，而且在凹槽管的壁面处的流体速度方向和光滑管的截然不同，它的速度方向发生了变化，所以凹槽传热管对管内流体的扰动更加剧烈。图3-8V=0.483m/s凹槽管与光滑圆管内速度矢量分布图本例还截取了凹槽管和光滑圆管管内速度矢量图，对其部分进行了局部的放大，如图3-8。这有助于我们清晰地观察凹槽管管内介质的流动形态。光滑传热管内流体的流动速度方向和流体的流动方向是平行的，而且流体的流动速度的分布平坦，所以管内流体就不能很好地对边界层进行扰流，这样热量就不能够得到有效的传递。相较于光滑管，凹槽管凸起的管壁面对流体的流动产生了引导，同时凹槽管的凸起部分对流体又有扰动，所以凹槽管内的流体比光滑管的多了两种流动方式：一个是沿着凸起流动形成了流体的螺旋运动，这样近壁面处流体和传热管管壁之间的相对速度就会增加，那么对流体热边界层的扰动作用就越强，最终会减少管内传热过程中产生的热阻；一个是流体边界层的分离然后再附着，也即就是流体在近壁面处因受到凸起管节的扰动而在传热管管壁上产生了旋涡状的流动状态。流体在流动的过程中不断地剥离和附着以及旋转就增强了对热边界层的扰动，也就促使了边界层因破坏而导致厚度变薄，这样有利于热量通过边界层进行传递。在这两种方式共同的作用下，凹槽换热管管内的传热得到了强化，这也是凹槽管的强化传热效果比光滑管的传热效果更加明显的原因[9]。3.1.3.2温度场分析图3-9和图3-10分别为当管内流体的流动速度为0.483m/s时凹槽管和光滑圆管垂直轴线不同截面处温度场的分布图。观察这两个图，可以发现，光滑管和凹槽管内流体沿着换热管轴向温度不断地升高，造成流体温度沿着流动的方向变化的原因是：换热管壁面温度比换热管内流体的温度要高，这样换热管中的流体就相当于被加热了，近壁面处的流体温度比中心处的温度要高，越接近管道壁面，流体温度升高的幅度就越大，温度逐渐的向管中心扩散，而且越靠近管道的出口温度就越高。对比X=0.13mX=0.13mX=0.27mX=0.27mX=0.40mX=0.40m图3-9V=0.483m/s凹槽管内不同图3-10V=0.483m/s光滑圆管内不同截面处温度场分布云图截面处温度场分布云图图3-9和图3-10可以看出，沿着管道轴向凹槽管内流体的温升比光滑管的温升快，也即是凹槽管内流体的温度改变的速度比光滑管的温度改变的速度要快，且比光滑管内流体温度变化的范围要宽且快很多，这就可以说明凹槽管的换热效果比光滑管的换热效果要更好。3.1.3.3湍动能场分析图3-11和图3-12分别为当管内流体的流动速度为0.483m/s时凹槽管和光滑圆管垂直轴线不同截面处湍动能场的分布图。观察这两个图，可以发现，光滑圆管内流体流动时，越靠近壁面湍动能变化梯度越大，而三个不同截面的湍动能值变化明显，两图比较可知，凹槽管外型波峰的存在，湍动能值增大且变化剧烈，湍动能大，X=0.13mX=0.13mX=0.27mX=0.27mX=0.40mX=0.40m图3-11V=0.483m/s凹槽管内不同图3-12V=0.483m/s光滑圆管内不同截面处湍动能场分布云图截面处湍动能场分布云图则对流体的扰动作用强，增强了管内流体与管壁间的对流传热性能，起到了对流体传热的强化作用。3.1.4强化传热特性分析由于传热管管径不变，雷诺数与流体速度成正比。雷诺数增加意味着流体速度的增加。图3-13和图3-14为出口总换热量、流体出口温度与雷诺数的变化关系。数据见表3-2，表3-3。不论是光滑管还是凹槽管，由于管长一定，当流体速度增加时，流体在管内的受热时间缩短，因此流体的出口温度随雷诺数的增加会降低但由于流体流量也在增加，总的换热量也随雷诺数的增加而升高。从图中看出相对于光滑圆管，凹槽管内流体的出口温度和换热量均有较大提高。这是由于管内水流受到管内表面凹槽的扰动时加快了流体分离，削弱了凹槽内边界层的厚度，同时使主流流体的湍流程度加大，强化了换热。同时重庆大学动力工程学院闫云飞,张力,黄昕等人通过实验研究发现凹槽高度越大，流体出口温度和换热量也越大。原因是凹槽越高，引起的涡流强度越大，边界层表面更新更为剧烈，传热效果更好。凹槽管出口总换热量比圆管提高24%。可见凹槽管的换热性能比圆管好得多。图3-13出口总换热量与雷诺数的关系表3-2出口总换热量与雷诺数的关系雷诺数Re出口总换热量/W凹槽管圆管600046583732120007351608618000109078699240001377810980表3-3出口温度与雷诺数的关系雷诺数Re出口温度/K凹槽管圆管6000314308120003103071800030830724000307306图3-14流体出口温度与雷诺数的关系3.1.5阻力特性凹槽管在增强换热的同时，流动阻力也有不同程度地增加。流速增加时，摩擦阻力及局部阻力均增加，因此光滑管与凹槽管的阻力均增大。凹槽管的阻力约为光滑管阻力的2-2.5倍。当雷诺数大于15000时，光滑管阻力增加幅度减小，而凹槽管的阻力基本成线性增加。这是由于低雷诺数时，粘性力占主导地位，阻力系数较大；高雷诺数时，惯性阻力占主导地位，阻力系数较小。凹槽管的阻力增大，主要是由于流体流经凹槽壁面时，产生边界层分离和漩涡，导致流体流动阻力增大。凹槽的高度越大，阻力也越大。凹槽结构在提高换热性能的同时，需要提供更多的泵功。表3-4雷诺数与进出口压差关系雷诺数Re进出口压差/Pa凹槽管圆管60002914120007533180002087724000289115图3-15流体进出口压差与雷诺数关系3.2强化换热波纹管内流动与传热数值模拟上文中已经对凹槽管与光滑圆管的传热性能进行了对比研究分析，为了进一步从换热性能上研究换热管换热特性，本节将对波纹管管内流体流动特性以及流动状态进图3-16波纹管尺寸及物理模型行三维数值模拟并与相同截面尺寸的光滑圆管流动特性以及流动状态对比分析。波纹管是一种能同时强化管内和管外传热的双面强化管。如图3-16所示，由依次交替的弧形段(波峰)和直线段组成，由于断面改变，使弧形段内壁处发生两次反向扰动，较大地破坏了边界层的热阻层，加大了流体的湍动程度，因而强化了传热[10]。3.2.1数值模型在建立模型时，对管内流动作如下假设：(1)流体为不可压缩流体，并且为充分发展的湍流流动；(2)流体物性不随温度发生变化；(3)忽略重力的影响；(4)所有界面和接触表面不变形，液—固接触面为无滑移边界；(5)管壁很薄，忽略壁厚对传热的影响，将壁厚设置为0；(6)不考虑流体中的粘性耗散[10]；3.2.1.1控制方程根据以上假设，由于是定常不可压流动，则采用三维不可压缩流动的质量守恒方程式（2-6）动量守恒方程（2-7,2-8，2-9）能量守恒方程（2-10）3.2.1.2边界条件本文模拟计算过程涉及到两种边界条件：速度入口和流动出口。将流体材料设置为液态水（water-liquid），初始温度为17℃，即273+17=290K，圆管和波纹换热管的壁面采用恒壁温条件，壁温为45℃，即273+45=318K。壁面材料默认Fluent的材料物性参数。速度入口边界条件速度设为速度大小与方向。入口速度大小分别取0.5、0.8、1.0、1.2，方向垂直于进口截面，各流速对应的雷诺数分别为6570、10511、13139、15767；湍流参数选取湍流强度5%，水力直径16mm。3.2.1.3网格划分四面体是三维空间最简单的形状，任何空间区域都可以被四面体单元所填满，即任何空间都可以被以四面体为单元的网格所划分。由于非结构网格舍去了网格节点的结构性限制，节点和单元的分布是任意的，易于控制网格单元的大小、形状和网格点的位置，因而比结构网格具有更大的灵活性，对复杂外形的适应能力强，能较好的处理物面边界。针对本文中计算区域的几何结构较为复杂的情况，采用非结构化网格对计算区域进行离散化，网格划分的步长为1.8mm。如图3-17。图3-17波纹管圆管网格形式

3.2.1.4求解方法圆管采用标准k−ε湍流模型，波纹管采用RNGk−ε湍流模型，采用二阶迎风差分法对控制方程进行离散，采用SIMPLE算法进行压力修正。定义收敛的条件为残差绝对值小。波纹管在经过一百三十多次计算后结果收敛，圆管经过一百七十多次计算结果收敛。残差图如下图3-18波纹管在速度为1.0m/s时残差图图3-19圆管在速度为1.0m/s时残差图

3.2.2模拟结果对比及分析3.2.2.1速度场分析以进口流速V=1.0m/s为例，截取垂直于中心轴的三个截面，，，分析流体在圆管和波纹管中相同位置处速度的变化，结果如图3-20和图3-21。X=0.7mX=1.02mX=1.35m图3-20V=1.0m/s波纹管内不同图3-21V=1.0m/s光滑圆管内不同截面处速度分布云图截面处速度分布云图从图3-20和图3-21中可以看出，光滑圆管内的流动速度比波纹管里的流动速度快，光管近壁面的速度边界层较薄，并且在流动过程中保持不变，因此相较于光管，波纹管内部产生的涡旋对流体的扰动较强。光滑管内流体的流动速度在近壁面处梯度比管内其它地方的速度梯度显然要大，在管道中间部分流体的速度梯度相对来说比较稳定，而且在流道中间部分的流体流速最大，管内流体的流动速度沿着垂直于传热管轴向的方向在不断地变小，同时流体流动速度方向不沿管道轴向发生改变，这是由于壁面剪切力的存在造成的，在传热管内近壁面处的流体的流动速度比其它地方的速度要小。同样在波纹管内流体的流动速度也是在管道中间部分最大但没有圆管中的大，在壁面处流体流动速度较小，尤其是波纹的波峰里面的流体。为了更清晰地看清二者管内的流动现象，我们在这里取波纹管和光滑圆管内流体流动的矢量图分析，结果如图3-22和图3-23。图3-22波纹管速度矢量图由两图中可以清楚地看出，在远离壁面处的流速基本与入口流速相同，且不沿流向变化，而由于壁面剪切应力的作用，近壁处的速度较小，并且越接近管壁速度越小，直到壁面上的速度为零。在光滑圆管中的流体径向速度与主流速度相比很小，说明圆管中流体的换热主要靠导热作用。而在波纹管中的流体经过波峰时，管壁处形成径向漩涡，增加了流体边界层的扰动，促使边界层表面更新加剧，有利于使热量通过边界层进行传递。当涡流将要消失时，流体又经过下一个波纹，保证了连续稳定的强化换热作用。图3-23光滑圆管速度矢量图随着流体的流动，波纹管近壁面区域的速度边界层逐渐减薄，并且在波纹的下游区域减小到最薄，这是由于流体在波纹内分离为三个方向的流动，一部分是沿波纹做周向运动，一部分做径向运动，一部分沿着原来的流动方向做轴向运动，这三个方向的流动在波纹的近壁面合成为复杂的脱体涡旋，从而在很大程度上破坏了速度边界层，在近壁处引起了扰动。光管在近壁面的速度边界层较薄，并且在流动过程中保持不变，因此相较于光管，波纹管内部产生的涡旋对流体的扰动较强，利于换热。3.2.2.2湍动能分析同样截取垂直轴线X方向上三个不同位置处的截面，对比分析在相同位置截面处，波纹管和圆管的湍动能变化情况。X=0.7mX=1.025mX=1.353m图3-24V=1.0m/s波纹管内不同图3-25V=1.0m/s光滑圆管内不同截面处湍动能分布云图截面处湍动能分布云图从图中可以看出，随着流体的流动，在波纹管的近壁面处产生了湍动能变化，且增大幅度明显。流体在圆管中流动时，越靠近壁面湍动能变化梯度越大，而在三个不同截面的湍动能值变化不明显，且没有湍流中心；两图比较可知，波纹管外型由于波峰的存在，湍动能值增大且变化剧烈，湍动能大，则对流体的扰动作用强，延长了流体在管中的停留时间，使得换热时间延长。增强了管内流体与管壁间的对流传热性能，起到了对流体传热的强化作用。3.2.2.3温度场分析以上分析了波纹管和圆管里的速度以及湍动能场分布，这里我们分析一下管内的温度场分布，分布云图如图3-26，图3-27所示。X=0.7mX=1.025mX=1.353m图3-26V=1.0m/s波纹管内不同图3-27V=1.0m/s光滑圆管内不同截面处温度分布云图截面处温度分布云图观察这两个图可以发现，波纹管和光滑圆管内流体沿着换热管轴向温度不断升高，造成流体温度沿着流动方向变化的原因是：换热管壁面温度比换热管内流体的温度要高的多，这样换热管中的流体就相当于被加热了，近壁面处的流体温度要比中心处的温度高。越接近管道壁面，流体温度升高的幅度就越大，温度逐渐的向管中心扩散，而且越靠近管道的出口温度就越高。对比图3-26和3-27可以看出，沿着管道轴向波纹管管内流体的温升比光滑管的温升快，也即是波纹管管内流体的温度改变的速度比光滑管的温度改变的速度要快，且比光滑管内流体温度变化的范围要宽，这就可以说明波纹管的换热效果比光滑管的换热效果要更好。3.2.3强化传热特性分析通过模拟软件Fluent计算得出不同雷诺数与出口总换热量以及出口温度的关系。绘制成图3-28和图3-29所示的出口总换热量和出口温度随雷诺数变化的曲线图。由图可知，不论是光滑圆管还是波纹管，由于管长一定，当流体速度增加时，流体在管内的受热时间缩短，使得对流换热时间缩短。因此流体的出口温度随雷诺数的增加也即流体流流速的增加会降低但由于流体流量也在增加，总的换热量也随雷诺数的增加而升高。从图中看出相对于光滑圆管，波纹管内流体的出口温度和换热量均有较大提高。这是由于管内水流受到管内表面波纹的扰动时加快了流体分离，加剧流体湍流，促使边界层表面快速更新，削弱了波纹内边界层的厚度，同时使主流流体的湍流程度加大，从而达到强化传热的目的。从图3-28出口总换热量随Re的变化曲线中得出波纹管的出口总换热量比光滑圆管提高35%。图3-28出口总换热量随Re的变化曲线表3-5出口总换热量随Re的变化关系雷诺数Re出口总换热量/W凹槽管圆管6570527044561051178305973131399700675815767119208500表3-6出口温度与雷诺数的关系雷诺数Re出口温度/K凹槽管圆管657030930310511307.9302.713139305302.215767303299图3-29出口温度随Re的变化曲线优化计算表明,波纹管在低雷诺数下不能有效发挥强化传热作用,相反还会削弱传热。其强化传热特性体现在高雷诺数下，无论是在低雷诺数区域还是在高雷诺数区域,选择小波纹间距有利于增强波纹管的传热,同时又能降低阻力系数。对于波纹管结构尺寸的选取,可结合具体的应用情况及加工工艺进行分析[11]。

第4章结论采用Fluent商业计算流体软件对强化换热管波纹管和凹槽管内的流体流动状态与传热情况进行了三维数值模拟。模拟了湍流情况下凹槽管和波纹管内不同速度对流动与传热的