波纹管管内流动规律与数值模拟研究

鉴于国内外对波纹管换热器的流动和传热特性局限在实验研究和理论研究的现状,提出采用数值模拟方法对换热管管内流场和温度场进行研究。采用有限体积法对控制方程组进行离散化,应用二阶迎风离散对流项,应用SIMPLE算法进行压力修正。结果表明,在相同当量直径和雷诺数条件下波纹管比光管具有更好的传热作用和协同作用;波纹管的尺寸参数φ对其强化传热具有显著影响;由于波纹管在其波峰、波谷处产生二次涡流破坏与扰动边界层,其在较低的雷诺数下就能提前达到湍流流动,所以波纹管具有节能和防垢作用。     

波纹管结构参数对传热性能影响

分别以不同规格的波纹管为模型,应用FLUENT软件对湍流流动状态下波纹管内的传热进行模拟,分析了流体流动状态和波纹管几何结构参数对传热系数的影响。结果表明,波纹管的壁面平均传热系数随着入口雷诺数的增加而增大;与光滑管相比,在低雷诺数的情况下,波纹管传热强化效率随雷诺数的增大而增大,而随着雷诺数的进一步提高,波纹管的强化传热效果逐步减弱;当波纹管的外径与内径的比值在1.25~1.40时,其传热强化效果最好。     

强化传热管管内湍流运动的数值模拟和比较

通过fluent软件对横纹管、波节管、波纹管、缩放管这4种常用的传热管,进行了管内湍流运动的数值模拟,从微观上说明了4种传热管的强化传热机理,并对其流动努塞尔系数Nu、压降△p及综合性能参数η进行了比较,说明在低Re下缩放管的综合性能最好,在高Re下横纹管的综合性能最好。     

分流栅强化管传热与流体流动数值模拟

对于传热管内湍流,特别是带有管内插入物的湍流,其管内流体的流动细观信息和强化传热机理还不十分清楚。为此,提出一种分流栅新型管内插入物强化传热管。采用数值模拟方法研究了不同分流栅设置间距时管内流体的传热及阻力降性能,并与光管进行了对比。结果表明,内插入物促进核心流体与边界层流体的混合,减薄层流底层,强化了对流传热,并增大了换热面积;同时,由于内插入物的影响,管内流体的阻力降显著增加。在研究范围内,插入物分流栅设置间距为50mm时强化管综合性能最佳。     

强化传热管管内传热及阻力性能的数值研究

运用CFD软件以水为工作介质,分析了螺旋槽管和波纹管管内传热、阻力和抗结垢性能,并与光管进行对比。结果表明,波纹管在波峰和波谷处产生二次涡流,破坏了边界层;螺旋槽管除了在凸肋部前后产生了二次涡流,由螺旋形槽道形成的旋流还对边界层形成扰动,因此其传热性能要优于波纹管和光管,但其流动阻力也同时被提升。在雷诺数为5×104时,螺旋槽管的最大努塞尔数是光管的2.21倍,波纹管的1.58倍,阻力系数f最大,是光管的7.02倍,波纹管的2.36倍。螺旋槽管的综合性能参数最大为1.26,而波纹管的大约为1,因而螺旋槽管的综合性能优于波纹管。此外,螺旋槽管的抗结垢性能也好于其它2种换热管。     

波纹管传热特性的数值模拟与实验研究

针对管壳式换热器的流动与传热设计长期以来依靠实验方法,应用于波纹管管壁温度测量存在误差,造成换热系数不准确,而仅仅利用软件模拟考察其性能,又往往导致模拟参数缺少必要依据而失真的状况,将2种方法结合起来,研究探讨了波纹管强化传热规律和阻垢机理。研究结果表明:(1)波纹管的阻垢性能和强化传热效果要明显优于光管,其数值约为1.5倍;(2)波纹管之间不同的结构尺寸对其主要性能具有一定影响,且波峰与波距之比较大的其性能要优;(3)管内流动规律的数值模拟结果与实验结果吻合。     

正弦型波纹换热管传热特性实验研究

为满足高效换热器的开发研制需要, 在波纹管的基础上, 改进其表面形状, 提出了正弦型波纹换热管, 并采用套管式传热实验台, 在较低雷诺数 (1 800相似文献   

含旋流片缩放管内流动与传热数值模拟

在缩放管内间隔插入多个旋流片的通道中,流体流动呈现周期性自旋流.用数值模拟方法对含旋流片缩放管内旋流片间距对空气湍流流动和传热的影响进行了分析,得到了管内流场和温度场以及传热膜系数、单位长度压降与雷诺数的关系,以获得较佳的复合传热性能.     

内置转子组合式强化传热装置换热管内流体流动与传热数值模拟

建立了换热管内流体流动与传热三维数学模型,对内置转子组合式强化传热装置换热管内流体流动与传热特性进行数值模拟并与实验结果进行比较。模拟结果表明,内置转子组合式强化传热装置换热管内冷热流体产生了置换混合的效果,充分换热,管内温度梯度小于1 K,进出口温差较光管提高了29%;流场变为复杂的三维螺旋流,加剧了流体的湍流强度及边界层的扰动,使传热强化并起到清洁污垢的作用,但管内压降较光管增加了4.7 kPa;与光管相比,表面对流传热系数的平均值提高了7%,而且表面对流传热系数的分布也变得均匀。实验结果与模拟结果符合较好。     

内外流动介质下强化换热管耦合传热数值模拟

以强化换热管为研究对象,建立了以水为介质的轴对称数值模型。应用计算流体软件CFX对光管及2种强化换热管（缩放管、波纹管）的传热特性及流动规律进行数值研究。结果表明,数值计算得到的光管总传热系数数值与经验公式计算结果吻合很好。与光管相比,强化换热管壁面结构改变了流体的流动状况,对流道的流场产生重要影响。在相同流动条件下,缩放管与波纹管的总传热系数数值均有较大程度的提高,强化作用明显。为此类产品的进一步理论研究和分析方法推广提供了依据。     

波节管管内换热与阻力特性的实验研究

为使波节管换热器在石化企业推广应用 ,利用实际型实验装置对 4种不同几何尺寸波节管的换热和阻力特性进行了实验研究。结果表明 ,波节的存在增加了对流体流动的扰动 ,提高了波节管的换热能力 ;波节管的换热能力随波节长度与波深比值的减小而增加。在低雷诺数下 ,波节管的换热系数与阻力性能比明显好于光管 ;在高雷诺数下 ,两者的换热系数与阻力性能比非常接近。在低雷诺数 (Re <30 0 0 )和高雷诺数 (Re >70 0 0 )时 ,波节管的换热与阻力综合性能比较理想     

板翅式热交换器中一种新型正弦波纹流道的数值模拟

采用数值模拟方法对板翅式热交换器周期性正弦流道中层流流体的传热性能进行研究,得出了翅片流道截面结构尺寸、振幅和波长对正弦流道传热综合性能的影响。结果表明,传热综合性能随截面宽度增大而降低,随着波长的增大而增大。截面高度对传热综合性能的影响呈现出不规律性,当截面高度5mm时综合性能最佳。振幅对综合性能的影响随雷诺数不同而不同,Re=50时随振幅增大综合性能不断降低;Re≥100时,在相同Re下,随着振幅增大,综合性能也提高。模型截面宽度2.5mm、截面高度5mm、振幅2mm、正弦波长30mm时具有最佳的综合性能。     

气体缩放管传热优化及其肋高确定

对光滑圆管与粗糙管内的湍流流动及传热边界层进行了分析,通过实验比较了三种不同肋高（1.1,1.25,1.6mm）的气体缩放管的热阻力性能以及传热综合因子随雷诺数（Re）的变化关系.结果表明,在气体换热的场合下,在直径为44mm的缩放管中,肋高为1.25mm时,粗糙高度与流动过渡区的厚度相当,可获得缩放管的最佳综合传热性能,其传热性能与肋高为1.6mm的缩放管相当,而阻力与肋高为1.1mm的缩放管相比升幅不大;肋高为1.1mm的缩放管未能对边界层造成充分扰动,强化传热性能不佳;肋高为1.6mm的缩放管对湍流主区产生了扰动,阻力升幅过大.     

波纹管内湍流传热数值模拟

采用数值模拟方法研究了幅值分别为3mm、4mm的两种波纹管的湍流传热性能,发现幅值为4mm的波纹管换热效果优于幅值为3mm的波纹管,幅值为4mm的波纹管壁面剪切力更大是致其换热效果较好的直接原因。波纹管壁面剪切力沿轴向周期性变化,喉结处壁面剪切力最大。波纹管纵向涡及流道形状周期性变化是传热获得强化的根本原因。引入壁面剪切力、纵向涡等参数,并与传热性能相关联,为波纹管换热器研发提供借鉴。     

3种强化传热炉管的流动和传热特性的数值模拟研究

利用数值模拟方法对梅花管、MERT管和扭曲片管3种强化传热炉管进行了流动和传热特性的研究。采用RNGk-ε湍流模型求解了动量方程和能量方程,给出了3种强化传热炉管的流动和传热特性,包括速度场、湍动强度场和温度场的分布;计算了3种强化传热炉管的压降、摩擦系数、努塞尔数(Nu)和强化传热综合因子。研究结果表明,梅花管主体为活塞流,MERT管和扭曲片管为旋转流;管内湍动强度在强化传热构件附近相对较大;管内流体温度场比较均匀。由强化传热元件产生的压降和摩擦系数的大小顺序为:MERT管>梅花管>扭曲片管;Nu的大小顺序为:MERT管>梅花管>扭曲片管;强化传热效果的优劣顺序为:扭曲片管>梅花管>MERT管。     

波节管管内强化传热有限元Ansys分析

利用Ansys对3种不同规格波节管进行了模拟求解,得出了湍流状态下波节管内流体的速度场和温度场,从微观上说明了波节管的强化传热机理。数值计算结果表明,湍流工况下波节管的努塞尔数Nu比光管提高2.97~3.80倍。拟合出的努塞尔数准则公式可为波节管实际应用提供一定的参考价值。     

几种强化传热管的流阻和传热性能

对螺旋槽管、横纹管和 2种不同结构尺寸的缩放管进行了流阻和传热性能实验研究 ,得到了这 4种强化管的流阻和传热系数 ,并与光滑管进行了对比。通过综合评价 ,在实验范围内 ,其综合性能按优劣依次为螺旋槽管、横纹管、缩放管 1、缩放管 2。     

超级开架式气化器新型传热管内流场及对流换热的数值模拟

超级开架式气化器(Super ORV)新型传热管主要是在普通传热管的内管中加入了十字螺旋扰流杆,以强化传热管的换热效果。为了研究该装置的换热效率,建立了与新型传热管和普通传热管相对应的数学和模型物理模型,采用数值模拟的方法对两种传热管内流场及对流换热性能进行了对比分析,得到了传热管内流道的努赛尔数随入口速度的变化图,以及传热管不同位置处温度和传热系数的分布规律。通过对现有实验进行数值模拟,对比分析了模拟结果与实验结果。结果表明:(1)FLUENT数值模拟方法能准确描述传热管的传热特性;(2)十字螺旋扰流杆的存在,不仅能够加强流体的湍流强度,而且还能有效减小边界层厚度,产生强烈的二次流,加强了流体在径向上的热交换,提高了传热管的整体换热能力;(3)流体入口速度与努赛尔数的增长幅度呈正比,传热系数随着温度的升高而增加,在相同的雷诺数下,新型传热管内流体的平均温度明显高于普通传热管内流体温度。该研究成果能够为超级开架式气化器国产化进程提供参考。