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陈志静/基于场协同的缩放管管外强化传热数值模拟

时间:2015-07-22来源:未知 作者:admin点击:
基于场协同的缩放管管外强化传热数值模拟 陈志静 (广东石油化工学院,广东 茂名 525000) 摘 要: 为研究缩放管管外强化传热性能,利用CFD软件对缩放管和光滑管管外对流传热进行了数值模拟。模拟结果表明:两种管外换热系数都随Re增加而增加,同种工况下缩
基于场协同的缩放管管外强化传热数值模拟

陈志静
(广东石油化工学院,广东 茂名  525000)

 
摘  要:为研究缩放管管外强化传热性能,利用CFD软件对缩放管和光滑管管外对流传热进行了数值模拟。模拟结果表明:两种管外换热系数都随Re增加而增加,同种工况下缩放管管外侧传热系数是光管的1.5~1.8倍,但随着Re的进一步增大,强化传热有所减弱。最后,应用温度场和速度场的协同理论分析强化传热机理,结果表明:缩放管管外速度场与温度场之间夹角较小,协同程度好,从而达到强化传热目的。
关键词:缩放管;数值模拟;强化换热;场协同

 
Numerically Simulation on Intensify Heat Transfer of Outside Convergent Divergent Tube Based on field synergy theory
CHEN Zhi-jing
(Guangdong University of Petrochemical Technology, Guangdong Maoming 525000,China)
 
Abstract: In order to acquire the effect of a enhanced heat transfer tube on the heat transfer performance in a Single-tube heat exchange, the numerical simulation for the forced convective heat transfer of outside horizontal smooth tube and convergent divergent tube is performed by the CFD software in this paper.The numerical results show that the heat transfer coefficient of the convergent divergent tube is 1. 5~1.8 times larger than the smooth tube , and the ratio of their coefficients is decreases with increasing Re. Finally, analyzing the strengthening mechanism from the angle of partial heat transfer by field synergy principle. Results Prove that the cause of strengthening heat transfer is the angle between the velocity field and the thermal field ,the small the angle, the better the synergy degree.
Key words: convergent divergent tube;numerical simulation; heat transfer enhancement; field synergy principle
 
 
基金项目:广东省科技计划项目(2010B010900037) ,茂名市科技计划项目(201314)
作者简介:陈志静(1984—),男,讲师/硕士;研究方向:强化传热与节能,数值模拟。
 
 
       强化换热管是一种换热性好、流阻小、不易结垢的传热元件[1]。缩放管是由渐扩段和渐缩段交替构成的,具有过渡平滑、流阻较低、不易结垢等优点。国内外学者对缩放管管内强化换热进行了大量的研究 [2-5],结果都表明缩放管具有较好的管内强化传热性能,对于缩放管管外强化传热研究还不是很成熟。随着近些年计算传热学和计算流体力学(CFD)的迅速发展,数值模拟已经成为研究流体流动和传热的重要辅助方法。流体的对流换热强度,不仅取决于流速、温度和流体物性,还取决于速度场与热流场的协同程度,即传热效果与速度绝对值、热流绝对值和两者夹角有关。
本文运用CFD常用软件FLUENT对缩放管和光滑管管外的换热特性进行模拟,比较传热系数,研究缩放管管外传热特性,最后从场协同角度分析其强化换热的机理。

1.数值模拟

       如图1为缩放管。本文研究的是缩放管管外强化传热,其计算区域为内管和外管的环形区域。由于缩放管是轴对称结构,为减少计算量,建模采用二维代替三维。缩放管内径16mm,外套管内径40mm,管长1200mm。
图1 缩放管
网格的划分全部采用的是非结构化网格,它可以很容易地实现区域的边界拟合,适于流体和表面应力集中等方面的计算。网格模型如图2所示。
本文中采用标准湍流模型求解流场,压力与速度的耦合计算采用SIMPLE 方法。流动介质选择水蒸汽,边界条件设置如下:
(1)进口边界:速度进口,分别为3.53m/s、4.94 m/s、6.35 m/s、7.76 m/s、9.17 m/s、10.58 m/s、12.0 m/s、13.4 m/s;
(2)出口边界: 采用outflow出口边界。
(3)壁面边界:忽略壁厚,外壁面设置绝热壁面边界;内壁面设置等温边界条件,壁温373K;
模型边界条件设置如图3所示。

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