内置螺旋片的强化传热管的数值模拟研究
螺旋叶片转子强化管抗污垢性能的数值模拟
螺旋叶片转子强化管抗污垢性能的数值模拟张震;关昌峰;何长江;何立臣;丁玉梅;阎华;杨卫民【期刊名称】《化工进展》【年(卷),期】2013(000)011【摘要】The anti-dirt performances of the plain tube and the enhanced tube with helical blade rotors were numerically studied using FLUENT software, and the axial and radial particle volume fraction distributions of the tube were also obtained. Meanwhile,the effects of the particle diameter on the anti-dirt performance of the enhanced tube were investigated. The numerical results indicated that the dirt in the enhanced tube with helical blade rotors decreased significantly compared with the plain tube,and the particle volume fraction at the bottom of the enhanced tube was higher than that at the top of the enhanced tube due to the gravity effect of the particle. As the particle diameter increased, the axial particle volume fraction at the bottom of the enhanced tube increased accordingly, and the axial particle volume fraction at the top of the enhanced tube decreased. In the radial direction of the enhanced tube, the effects of the particle diameter on the particle volume fraction of the near-wall region were significant.%采用流场分析软件FLUENT模拟研究了光管及内置螺旋叶片转子强化管的抗污垢性能，得到了换热管轴向以及径向颗粒污垢体积分数分布，并研究了颗粒直径对强化管抗污垢性能的影响。
内置转子换热管强化传热数值模拟
内置转子换热管强化传热数值模拟张震;杨卫民;韩崇刚;阎华;杨斯博;赵本华【摘要】为分析内置转子换热管的传热效果,建立光管和内置转子换热管的三维模型,对换热管内流场、温度场、压力场以及传热过程进行模拟,得到管内流体的阻力特性和传热特性.模拟结果表明:内置转子换热管内的三维流动比较复杂,转子与管壁之间缝隙内的流体有明显的环绕流动,切向速度和径向速度也增大到一定范围；相同雷诺数条件下,内置转子换热管压降比光管增大2.09 ～2.66倍,管内流体进出口温差比光管增加0.67～0.76℃.内置转子换热管较光管有较强的湍动程度,尤其是近壁区域,因此强化管内的对流传热,传热系数显著提高,从而验证转子具有强化传热的功能.【期刊名称】《计算机辅助工程》【年(卷),期】2011(020)002【总页数】6页(P57-62)【关键词】内置转子换热管;强化传热;压降;数值模拟【作者】张震;杨卫民;韩崇刚;阎华;杨斯博;赵本华【作者单位】北京化工大学机电工程学院,北京100029;北京化工大学机电工程学院,北京100029;北京化工大学机电工程学院,北京100029;北京化工大学机电工程学院,北京100029;北京化工大学机电工程学院,北京100029;北京化工大学机电工程学院,北京100029【正文语种】中文【中图分类】TB657.5;TB115.10 引言国家发展和改革委员会发布的节能中长期专项规划［1］指出:我国能源利用效率比国际先进水平低10个百分点左右，并且特别说明火电机组平均效率约为33.8%，比国际先进水平低6～7个百分点.在火力发电中，汽轮机冷端凝汽器的能量损失高达60%，是节能挖潜最重要的环节之一.凝汽器在运行过程中容易积污结垢，一旦积污结垢其传热效果会急剧下降，造成能源浪费和环境污染.因此，研究传热表面污垢防止、自清洁对强化传热、节能降耗和提高经济效益有十分重要的意义.［2］理想的换热管强化传热技术应兼具强化传热和在线自动清洗功能［3-4］，否则传热面上的污垢会使一切强化传热的努力变为零.［5］转子组合式强化传热装置是一种新型强化传热装置，具有在线自动清除污垢和强化传热的双重功能.运行时，管程介质通过进流孔流入到换热管中，转子在水流的推动下开始旋转，使水流不仅沿轴线做螺旋运动，而且在转子边缘处做复杂的运动.这样，水流对管壁具有较大的冲击作用，使微生物和黏泥等杂质不易沉积在管壁上，实现防垢.同时，在介质的冲击驱动下，转子在换热管内不停地快速旋转，并以“陀螺原理”自动悬浮于介质中，使管内介质由层流状态或过渡流状态变为以旋转流动为主的复杂流动.这种复杂流动状态强化换热管中心流体与管壁流体的置换作用，并产生二次流，大大减小边界层厚度，显著提高传热效率.此外，转子组合式强化传热装置极大地降低换热管间介质流量的不均匀性，进一步增强换热器传热效果，因此可同时实现自清洁和强化传热的双重作用.由于转子的转动特性对在线除垢、防垢和强化传热效率有直接影响，研究换热管内流场的流动特性(如速度、压力分布等)对提高转子转动特性具有重要意义.但是，转子在换热管内除进行螺旋运动外，还伴有随机的径向摆动和少量的轴向串动，使换热管内的流动场分布极其复杂.［6］随着计算机技术的不断提高以及计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)和数值传热学的飞速发展，数值模拟方法已成为研究换热器的重要手段之一.采用数值模拟方法研究换热器的速度场、温度场以及压力场［7］，可以克服使用实验方法无法观察结构对流动和传热微观影响的不足，因此对转子进行数值模拟，可形象地展示转子结构参数和转动特性对强化传热的影响.1 数学模型及其求解1.1 模型的建立模型长为216 mm，换热管内径为23 mm，换热管内置转子外径为19 mm，导程为400 mm，单个转子长度为30 mm.在换热管内安装多个转子并同步旋转，保证流体经管程入口后依次受到各个转子的扰流作用，使模拟更接近现实工况.使用三维实体造型工具分别建立内置转子换热管和光管流场分析区域，见图1，建模时设置单位为mm.图1 流场分析区域Fig.1 Region of flow field analysis由于转子转速较快，流体质点运动非常复杂，流场区域的网格划分直接影响流场数值模拟结果的准确性.用Gambit划分网格，见图2，并将有限元模型输出为mesh 文件格式，为求解作好准备.图2 网格划分Fig.2 Mesh generation1.2 计算设置采用CFD软件FLUENT对内置转子换热管和光管分别进行数值模拟.将模型导入FLUENT中，设置导入单位为mm.由于流体湍流流动各向异性，切向速度的脉动比轴向速度的脉动剧烈，而RNG k-ε模型对瞬态变流和流线弯曲影响的预报能力较强，可选用该模型进行稳态分析.压力与速度的耦合计算采用SIMPLE方法［8］，对流项采用2阶迎风格式，在求解过程中当连续性方程、动量方程和能量方程中的变量残差分别达到10-4，10-4和10-6时，认为计算收敛.1.3 控制方程基于不可压缩的牛顿型流体，在常物性和宏观热能守恒的假设下，换热器管程流体流动和传热必须满足以下3个控制方程［9］:连续性方程动量守恒方程能量守恒方程1.4 边界条件设置(1)流场区域.流体在装有转子的换热管内流动时，在转子的导流作用下流场大致呈螺旋形，所以流场区域的运动性质设置为rotation，采用旋转参考坐标系.［10］(2)进口边界.采用速度进口边界条件，内置转子换热管及光管的管程进口速度uin 由1.0 m/s依次递增0.1 m/s至1.6 m/s，进口温度Tin=20℃;壳程进口速度u′in=0.2 m/s，进口温度T′in=80 ℃;采用压力出口边界条件.(3)壁面条件.管壁壁面采用无滑移固定粗糙壁面，内管壁壁面热流量守恒，外管壁绝热，近壁区域流动计算的处理采用Scalable壁面函数模型.内管的两壁面设为Fluid-Solid交界面.2 计算结果及对比分析2.1 速度场分布图3和4分别是流速为1.0 m/s时内置转子换热管和光管的管内流线图，图中左侧是管程流体入口方向.图3 内置转子换热管管内流线图，m/sFig.3 Streamline in heat-exchange tube with assembled rotors，m/s图4 光管管内流线图，m/sFig.4 Streamline in plain tube，m/s由图3和4可知，内置转子换热管内流体的流动发生根本性变化，整体呈现出有规律的三维螺旋状旋转运动;而光管管内的流体只呈现常规的直线流动.［11-12］螺旋状流动状态不仅加剧流体的湍流强度及边界层的扰动，还可及时阻止污垢的沉积，从而达到强化传热和自清洁的双重效果.图5和6分别是流速为1.0 m/s时内置转子换热管和光管出口切向速度矢量图. 图5 内置转子换热管出口切向速度矢量图，m/sFig.5 Tangential velocity vector of outlet of neat-exchage tube with assembled rotors，m/s图6 光管出口切向速度矢量图，m/sFig.6 Tangential velocity vector of outlet of plain tube，m/s由图5和6可知，与光管相比，内置转子后换热管边界层内的流体切向速度得到大幅提高，切向速度由5.0×10-5m/s提高到0.079 64 m/s，从而可以得出转子宽度内的流体在转子的导流作用下产生较大的切向速度.由切向速度分量产生的离心力会使流体中间区域密度较大的冷流体趋于向外流动，并与靠近边缘的密度较小的热流体混合，这种径向混合现象有效地减小传热过程中的物理场协同角，从而大大提高换热管的传热效率.在换热管内装入转子组合式强化传热装置后，不仅使流体边界层内的切向速度得到大幅提高，同时也使流体在边界层内的径向速度得到提高，径向运动得到加强.图7和8分别显示流速为1.0 m/s时内置转子换热管和光管出口径向速度矢量图.图7 内置转子换热管出口径向速度矢量图，m/sFig.7 Radial velocity vector of outlet of heat-exchange tube with assembled rotors，m/s图8 光管出口径向速度矢量图，m/sFig.8 Radial velocity vector of outlet ofplain tube，m/s由图7和8可知，内置转子后换热管管壁附近边界层内的流体径向运动得到大幅加强，径向速度由5.4×10-5m/s提高到3.047×10-3m/s.可以推断，随着换热管内流体入口速度的不断增加，内置转子换热管边界层内的流体径向运动较相同条件下的光管更加强烈，从而使得管内边缘流体与中心流体的径向流动及热量交换更加容易，温度场与速度场的物理场协同度得到改善，最终使局部努塞尔数得到提高，传热过程得到强化.2.2 压力分布在流速为1.0 m/s换热管流场内选取某些横截面，在FLUENT中分别求出这些横截面上压力的平均值，最后采用OriginPro 8.0将这些点描绘成线，得出内置转子换热管和光管轴向压力的对比曲线，见图9.图9 换热管轴向压力曲线Fig.9 Axial pressure curves of heat-exchange tubes 由图9可知，内置转子换热管及光管的管内流体压力从进口到出口呈下降趋势.根据能量转化原理，流体流经内置转子换热管时将一部分能量传递给转子，一部分能量用于克服阻力损失，到出口时流体的能量自然相对减少，相应的压力也会下降.［13］只是光管内流体损失的能量仅用于克服阻力，因而内置转子换热管进、出口压差比光管高.同时，换热管轴向压力近似沿轴向呈线性变化，验证换热管进、出口压差与换热管管长成正比.2.3 温度场分布换热管管内的流体在经过洁能芯转子的扰流作用后，不仅速度场以及压力分布发生改变，温度场的分布也比较理想.图10和11是流速为1.0 m/s时内置转子换热管和光管管内流体温度分布云图，相比光管管内流体进、出口温差(0.836 77℃)，内置转子换热管管内流体进、出口的温差相对较大.这是由于换热管内安装转子组合式强化传热装置后，转子的扰动及其对管壁边界层的破坏作用使换热管内的物理场协同度与光管相比得到较大提高，流体温度由进口至出口逐渐升高1.597 07℃左右，传热效果比较理想.图10 内置转子换热管管内流体温度分布云图，℃Fig.10 Temperature of flow inside heat-exchange tube with assembled rotors，℃图11 光管管内流体温度分布云图，℃Fig.11 Temperature of flow inside plain tube，℃2.4 阻力特性换热管进、出口压降随雷诺数(Re)的变化规律见图12，可知，内置转子换热管管内流体的压降随着Re的增大而急速增大，在插有转子的换热管中，流体按螺旋运动的规律流动，同时伴有二次流并形成复杂的涡流.［14］在相同Re条件下，内置转子换热管压降比光管增大2.09～2.66倍.图12 换热管压降曲线Fig.12 Pressure drop curves of tubes2.5 传热特性换热管进、出口温差随Re的变化规律见图13.模拟结果表明，内置转子换热管管内流体进、出口温差比光管增加0.67～0.76℃，在一定程度上说明转子提高传热效率.转子在水流的冲击下做回旋运动，转子的旋转运动导致水流由稳流状态变为复杂的紊流状态，并且破坏换热管内壁上的边界层，从而强化传热效果.图13 换热管进、出口温差变化曲线Fig.13 Curves of temperature difference between inlet and outlet of tubes3 结论(1)由于流体湍流流动各向异性，切向速度的脉动比轴向速度的脉动剧烈，而RNG k-ε模型对瞬态变流和流线弯曲影响的预报能力较强，本文使用该湍流模型对换热管内置转子强化传热过程进行模拟，并将内置转子换热管与光管的模拟结果进行比较.(2)内置转子换热管管内流体的流动发生根本性变化，整体呈现出有规律的三维螺旋状旋转运动，而普通管内的流体只呈现常规的直线流动.(3)多个转子的共同作用可有效提高管内边界层流体的径向速度及切向速度、增强传热过程、提高传热速率，不仅速度场发生改变，温度场的分布也比较理想，从而说明流体被较充分地混合，强化传热效果较好.(4)在相同Re条件下，内置转子换热管压降比光管增大2.09～2.66倍，管内流体进、出口温差比光管增加0.67～0.76℃，验证转子具有强化传热的功能.(本文获计算机辅助工程及其理论研讨会2011(CAETS 2011)优秀论文奖.)参考文献:【相关文献】［1］国家发展和改革委员会.节能中长期专项规划［J］.有色冶金节能，2005，22(2):1-8.National Development and Reform Commission.Energy-saving medium and long-term special planning［J］.Energy Saving 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simulationand verification of the 3D turbulent flow in centrifugal pump impeller［J］.Trans Chin Soc Agric Machinery，2005，36(1):32-34.［14］唐志伟，于文俊，李翔.管内插入扭带的强化传热数值模拟［J］.北京工业大学学报，2009，35(5):652-658.TANG Zhiwei，YU Wenjun，LI Xiang.Numerical simulation on enhanced heat transfer of pipe inserted with twisted-tapes［J］.J Beijing Univ Technol，2009，35(5):652-658.。
螺旋椭圆管强化传热的数值模拟研究
螺旋椭圆管强化传热的数值模拟研究螺旋椭圆管强化传热是一种应用于换热器中的传热技术，具有传热效率高、体积小、强化传热能力强等优点，因此在工业中得到广泛应用。
为了进一步探究螺旋椭圆管强化传热的传热机理和优化设计，数值模拟成为了研究的重要手段。
螺旋椭圆管强化传热的数值模拟研究可以分为流动场模拟和传热场模拟两个部分。
流动场模拟主要研究流体在螺旋椭圆管中的流动特性，根据雷诺平均流场可分析其流动状态、流速分布以及流动阻力。
常用的数值模拟方法包括有限元方法、有限差分方法和计算流体力学方法等。
传热场模拟则侧重于研究流体在螺旋椭圆管中的传热特性，包括传热系数分布、传热效率等参数。
传热模拟可以采用研究热传递的传统数值模拟方法，如控制方程法和边界层近似法等。
在进行数值模拟研究之前，首先需要对螺旋椭圆管的结构进行建模。
考虑到螺旋椭圆管的复杂结构和边界条件，可以使用CAD软件进行三维建模，生成螺旋椭圆管的几何模型。
然后，利用网格生成软件对几何模型进行剖分，得到计算网格。
网格的划分对数值模拟结果的准确性和计算效率具有重要影响，一般采用结构化网格或非结构化网格。
接下来就是进行数值模拟计算。
对于流动场模拟，可以利用流体动力学软件，如Fluent或Star-CCM+等，求解雷诺平均动量方程和连续方程，得到流场的速度分布和压力分布。
对于传热场模拟，可以借助于传热软件，如COMSOL Multiphysics等，求解热传导方程和能量守恒方程，得到传热场的温度分布和传热系数分布。
通过数值模拟研究，可以进一步了解螺旋椭圆管强化传热的传热机理。
可以分析流体在螺旋椭圆管中的湍流行为，计算边界层的厚度和剪切应力等参数。
数值模拟还可以用于优化螺旋椭圆管的结构设计。
通过数值模拟得到的传热效率和压力损失等参数，可以用来比较不同螺旋椭圆管结构的性能，进而优化设计。
螺旋椭圆管强化传热的数值模拟研究是一种重要的研究方法，可以帮助我们深入了解螺旋椭圆管的传热机理和优化设计，为工业中的应用提供理论指导和技术支持。
内置Y形螺旋元件换热管的强化传热研究
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第 １ ０期 ２１ ０ ２年 １ Ｏ月
换热管内插螺旋强化传热的数值模拟
换热管内插螺旋强化传热的数值模拟冯修燕;张治坤【摘要】换热管内插入钢丝螺旋改变了管内的流动状态.通过数值模拟,研究内插螺旋换热管内速度场与温度场的分布特性,对空管和内插螺旋换热管进行了比较.模拟结果表明,在相同条件下,内插螺旋能够有效地改善换热管内速度场和温度场,验证了管内插螺旋是提高换热性能的有效手段.【期刊名称】《化工设计通讯》【年(卷),期】2016(042)006【总页数】2页(P93,119)【关键词】换热管;螺旋;强化传热;数值模拟【作者】冯修燕;张治坤【作者单位】湖南化工职业技术学院,湖南株洲 412000;湖南化工职业技术学院,湖南株洲 412000【正文语种】中文【中图分类】TK124污垢的存在［1］，不仅缩短了换热器的使用寿命，还使得传热效率大幅度降低，最终影响企业生产效益，造成重大经济损失。
对于管式换热器，换热管内侧污垢热阻的存在，大大增加了传热的阻力，使总的换热系数减小，换热效率降低。
管内插钢丝螺旋线圈是管式换热器强化传热的一种重要手段，在节能领域具有一定的工程应用价值［2］。
管内侧传热主要与管内流体热边界层有关，热边界层越薄越有利于强化传热，通过管内插螺旋线的数值模拟的分析，螺旋的存在可以抑制污垢的产生和减薄热边界层，从而能够强化传热。
管内插螺旋［3-5］可以很好地扰动管内接近壁面出的流体，使流体在流经螺旋时产生漩涡，加强了整个径向截面内的流体混合，提高了管内的雷诺数。
流体由于受到螺旋钢丝的阻挡，在径向方向上会产生一定的流速，这个流速方向与传热的方向是平行的，因此可以很好地强化管内流体在径向截面上的热量传递，起到了很好的强化传热效果［6］。
通过Fluent2.0软件数值模拟空管与内插螺旋换热管某一段截面上的速度、温度、压力云图并进行对比分析。
所选取换热管长度内径均相同，进出口边界条件设定一致，假设壁面为恒温边界，对流场加热。
图1为换热管的计算模型图。
截取两根换热管中间部分的管段进行研究，如图2所示，对该段垂直于坐标轴x方向的中性面即x=0截面进行研究。
内置旋转柔性螺旋片换热管强化传热数值模拟
出口截面平均温度/K
297.4 297.2
297
296.8 296.6 296.4 296.2
296
295.8 295.6
-1
0
传统管
10
20
30
40
转速/（rad/s）
图 6 出口截面平均温度折线图二
297.4
297.2
297
出口截面平均温度/K
296.8
296.6
296.4
296.2
296 传统管 2 4 6 8 10 12 14 宽度/mm 图 7 出口截面平均温度折线图三
图 3 光管流线图
为比较不同螺距下的转柔性螺旋片与传统光管的换热 效果，分别模拟当螺旋片宽度为 17mm、转速为 10rad/s 时， 螺旋片的螺距从小到大分别为 10mm、20mm、30mm、40mm、 50mm 的换热管。换热管出口温度统计表见表 1。
表 1 出口截面温度平均值统计表 1 螺距 10mm 20mm 30mm 40mm 50mm 传统管 螺旋片 297.309K 297.003K 296.896K 296.831K 296.789K 296.300K
中国新技术新产品 2024 NO.2（下）
工业技术
内置旋转柔性螺旋片换热管
强化传热数值模拟
任亚棚1，2 姜 方3 胡月月4 （1. 中国水利水电第三工程局有限公司，陕西 西安 710024 ；2. 陕西江河水利水电土木勘测设计研究有限公司，陕西 西安
710086 ；3. 潍坊市市政工程设计研究院有限公司，山东 潍坊 261061 ；4. 陕西同济土木建筑设计有限公司，陕西 西安 710002）
本文将不同螺距螺旋片换热管与传统光管出口截面平 均温度的数据进行了整理，最终得出的折线图如图 5 所示。
新型内螺纹波节管强化传热数值模拟
新型内螺纹波节管强化传热数值模拟雷雪;刘闯;曹凯【摘要】A new type of enhancement heat transfer tube called thread corrugated tube has been inven-ted.This tube combined the characteristics of both the corrugated tube and the internal thread tube. The heat transfer and intensity characteristic of the thread corrugated tube was investigated numeri-cally.The results showed that the tube inside heat transfer coefficient of the thread corrugated tube is 1.1 times larger than the corrugated tube.Considering the heat transfer performance of tubes with dif-ferent depth of thread,the thread corrugated tube which has lower depth of thread has a better over-all property.%结合波节管和内螺纹换热管的结构特点，提出一种新型强化传热的内螺纹波节管。
通过数值模拟的方法对内螺纹波节管的管内传热进行了研究，结果显示，相同工况下，内螺纹波节管管内努赛尔数 Nu 较普通波节管增大了约10％，强化传热效果明显。
此外，对比了不同螺纹尺寸的内螺纹波节管的流动和传热特性，结合管内的阻力情况，得出螺纹牙较低的内螺纹波节管具有更好综合性能的结论。
螺旋板换热器涡强化传热数值模拟研究
螺旋板换热器涡强化传热数值模拟研究螺旋板换热器涡强化传热数值模拟研究近年来，螺旋板换热器作为一种高效换热设备，被广泛应用于化工、电力、石化等行业。
螺旋板换热器通过原理上的独特设计，能够提高换热效率，节省能源。
在螺旋板换热器中，分离板通过螺旋弧槽连接，形成一个平行的流道，使两种流体能以对流的方式进行换热。
在这个过程中，流体会产生旋转流动，形成涡流。
这种旋转流动的存在会对传热产生影响，进而影响换热效率。
为了研究螺旋板换热器中涡强化传热的机制，我们进行了数值模拟研究。
首先，我们建立了螺旋板换热器的几何模型，并确定了边界条件。
然后，我们使用计算流体力学（CFD）方法，求解了螺旋板换热器内部的流场和传热情况。
通过数值模拟，我们发现在螺旋板换热器中，涡流能够有效增强传热效率。
涡流的形成使流体的湍流程度增加，从而增加了界面的传热面积，提高了换热效率。
与传统的平板换热器相比，螺旋板换热器具有更高的传热系数和传热效率。
除了发现涡强化传热的机制，我们还通过数值模拟研究了涡强化传热的影响因素。
我们发现，涡强化传热受到流体速度、入口温度、流动方向等因素的影响。
较高的流体速度会增加涡流的强度，提高传热效率。
而较低的入口温度和适当的流动方向也有利于涡强化传热。
此外，我们还通过数值模拟研究了螺旋板换热器中的压降情况。
我们发现在螺旋板换热器中，涡强化传热会导致较大的压降。
因此，在实际应用中需要对螺旋板换热器进行适当设计，以平衡传热效率和压降。
综上所述，螺旋板换热器涡强化传热数值模拟研究为我们深入了解螺旋板换热器的传热机制提供了有效的手段。
数值模拟结果表明，在螺旋板换热器中，涡流能够显著增强传热效率。
然而，由于涡强化传热会增加压降，所以在应用中需要综合考虑传热效率和压降两个因素，进行适当的设计。
未来，我们将进一步完善数值模拟研究的方法，提高模拟精度，探索更多的影响因素。
同时，我们还将结合实际应用，进行实验验证，进一步验证数值模拟结果的准确性。