内螺纹管沸腾换热的数值模拟
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。
螺旋槽管换热过程的三维速度场与温度场耦合数值模拟
螺旋槽管换热过程的三维速度场与温度场耦合数值模拟
彭洁;于恩林;姜伟
【期刊名称】《热能动力工程》
【年(卷),期】2007(22)4
【摘要】根据螺旋槽管换热器结构特点及传热特性,建立了以水为工质的换热器流动与传热的三维几何模型。
运用有限元分析软件ANSYS模拟出换热器在换热过程中速度场与温度场的状况,分别得到了螺旋槽管内壁与外壁的对流换热系数。
结果表明:槽深越大,随着Re增大,换热性能越好;当Re较小时,螺距越大,换热效果降低。
其与该类光管换热器相比,得出螺旋槽管的换热系数是光管的2.5倍左右,强化了传热,为此产品的进一步理论研究和推广应用提供了依据。
【总页数】4页(P395-398)
【关键词】螺旋槽管;强化换热;数值模拟;ANSYS;对流换热系数
【作者】彭洁;于恩林;姜伟
【作者单位】燕山大学机械工程学院;黑龙江科技学院机械工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TK172;O242
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-螺纹换热管
研究生课程论文(2012-2013学年第二学期)螺纹换热管数值模拟与分析摘要：利用数值模拟方法，考察单个螺纹换热管不同结构形式时流道内的换热特点，计算得到压力、速度、湍动能、湍流强度、温度等分布云图并做分析。
流体流过螺纹管时受到螺纹槽的影响，使流动受到扰动，在提高热交换的同时也会产生较大的能量损失，计算比较模型的能量损失。
关键词：螺纹换热管；数值模拟；换热特点；能量损失换热管是换热器的元件之一，置于筒体之内，用于两介质之间热量的交换。
除光滑管外，换热器还可采用各种各样的强化传热管，如翅片管、螺纹管、螺旋槽管等。
当管内直径两侧给热系数相差较大时，翅片管的翅片应布置在给热系数低的一侧。
常用材料有碳素钢、低合金钢、不锈钢、铜、铜镍合金、铝合金、钛等。
此外还有一些非金属材料，如石墨、陶瓷、聚四氟乙烯等。
设计时应该根据工作压力、温度和介质腐蚀性等选用合适的材料。
采用小管径时，可使单位体积的传热面积增大、结构紧凑、金属耗量减少、传热系数提高。
但小管径流体阻力大，不便清洗，易结构堵塞。
一般大直径管子用于粘性大或污浊的流体，小直径管子用于较清洁的流体。
螺纹管又称低肋管，主要是靠管外肋化扩大传热面积，一般用于管内给热系数比管外给热系数大1倍以上的场合。
对于管外冷凝及沸腾，由于表面张力作用，也有较好的强化作用，如下图1所示。
图1螺纹换热管由于进行实验研究具有周期长，耗时费力的缺点，而数值模拟方法具有方便、灵活，研究和开发周期相对较短，费用较低、限制减少等优点。
因此本文利用数值模拟方法，考察单个螺纹换热管不同结构形式时流道内的换热特点。
流体流过螺旋槽纹管时受到螺旋槽的影响，使流动受到扰动，在贴近壁面处产生较强的涡流，因而在提高热交换的同时也会产生较大的能量损失。
1 理论基础数值模拟方法遵循质量守恒、动量守恒和能量守恒这三个基本规律，其理论基础可以用以下方程式表示。
连续性方程：动量方程：能量方程：对于这类的流动损失，可将其看作一个较长的管道，则由达西公式得到沿程阻力系数表达式为λ=D 2Δp ρV in 2D L 式中Δp 为螺纹管两端的压差，ρ为流体的密度。
内螺纹肋管换热器换热特性的数值研究
内螺纹肋管换热器换热特性的数值研究【摘要】：应用计算流体动力学软件Fluent对内螺纹肋管内流体换热特性进行了数值模拟。
通过对无量纲肋高H在范围0.02-0.06，肋数N在范围35-50条，螺旋角γ在范围35°-45°的研究结果表明：随H的增加，Nu和f都有较大增加；随着γ的增大，Nu和f均先增大后减小，在螺旋角为41°时，Nu达到最大，在螺旋角为39°时，f达到最大；而肋数N对Nu和f的影响较小。
计算结果表明，研究范围内最佳肋参数为H=0.04，N=40，γ=41°。
【关键词】内螺纹，换热器【abstract 】: using computational fluid dynamics software Fluent internal threads rib tube fluid heat transfer characteristics on the numerical simulation. Through to the dimensionless high H in the range of rib 0.02 0.06, rib in scope and number N-article 50, spiral Angle is related in the range of 35 °to 45 °research results show that with the increase of H, Nu and f there are great increase; Along with the increase of γ, Nu and f are first increases, then decreases, and in a spiral Angle for 41 °, Nu achieve maximum, in a spiral Angle of 39 °, f achieve maximum; And the number of rib and f N Nu less effect. The calculation results show that, within the scope of the best rib parameters for the H = 0.04, N = 40, γ = 41 °.【key words 】threaded, heat exchanger1 引言能源危机对世界的经济发展和科学研究造成了巨大的冲击，迫使人们尽力减少石油与其他二次能源的消耗。
内螺纹换热管内表面传热与阻力特性数值模拟
一、计算模型与验证1.物理模型。
模拟以内管径D in为8.96mm的内螺纹管为对象，其结构参数如图1所示。
内螺纹管的内管径D in=8.96mm，管长L=700mm。
肋底a=0.23mm，肋顶b=0.08mm，肋顶角β=53°,螺纹沿管中心均匀布置。
变量为螺纹头数N和螺旋升角α。
螺纹头数N分别取30，45，60；螺旋升角α取18°，30°，45°，60°。
管内流体为水，管内流体雷诺数处于3200~6400，流动处于湍流状态。
研究表明，湍流状态下，若L/Din>60，则可忽略入口段的影响。
经判断，本次模拟中L/D in=78，故计算结果可以认为不受入口效应的影响。
图1 内螺纹管径向剖面局部示意图2.计算模型验证。
为验证FLUENT软件、标准k-ε湍流模型的准确性，笔者对光管进行试运算，并将计算结果所得努塞尔数Nu0和阻力系数f0与Dittus-Boelter、Gnielinski、Fikonenko关联式、Blasius实验关联式比较。
图2、图3分别是光管的模拟结果Nu0和f0与实验关联式的对比。
Nu0与Dittus-Boelter关联式最大偏差-9.5%；与Gnielinski关联式最大偏差12.4%。
f0与Fikonenko关联式最大偏差-2.51%；与Blasius关联式最大偏差6.21%。
与关联式最大偏差小于15%，故认为两者相关性较好，验证了计算模型的准确性。
图2 光管Nu与实验关联式验证图3 光管阻力系数f与实验关联式验证二、网格与边界条件1.网格划分。
使用ICEM软件建立模型并进行网格划分。
模拟计算使用Fluent 2020R2完成。
在壁面处使用壁面函数法处理近壁面问题，经多次调整首层网格高度并试运算，当首层网格高度大于1.76mm时，满足壁面函数法使用的要求Y+>30。
划分网格结构如图4所示。
图4 使用壁面函数法网格划分示意图2.网格无关性验证。
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。
内置螺旋弹簧换热管内流动与传热三维数值模拟
内置螺旋弹簧换热管内流动与传热三维数值模拟徐建民;彭坤;胡小霞;黄伟;余海燕【期刊名称】《化工进展》【年(卷),期】2012(031)012【摘要】In order to investigate single-tube heat transfer enhancement principles of heat exchange tube with helical coil inserts,the flow and heat transfer characteristics were simulated using Fluent software.The effects of spring application on flow field,pressure drop and heat transfer performance were investigated.The pitch of coil spring was set as 2 mm,4 mm,5 mm.The effects of spring pitch on the heat transfer enhancement performance were analyzed.The numerical results showed that the fluid in tube with helical coil inserts presents the helical flow,the cutting speed and the radial velocity of flow near the wall had been improved to some extent.Thus the fluid was mixed completely,boundary layer was disturbed fully and heat was exchanged thoroughly.And the temperature difference between inlet and outlet increased as well,with the maximum increase of 0.9 ℃.Under the conditions of the same Reynolds number,the Nusselt number in tube with helical coil inserts was higher than plain tube,but pressure drop and friction factor increased obviously.With the reduced spring pitch,heat transfer was enhanced and friction factor was increased.%为研究内置螺旋弹簧换热管单管强化传热原理,采用Fluent软件对内置螺旋弹簧换热管内流体流动与传热特性进行数值模拟,考察了弹簧的应用对管内流场、压降和换热性能的影响,并分别取螺旋弹簧节距p分别为2 mm、4 mm、5 mm初步研究了弹簧的节距对强化传热效果的影响。
R410A在内螺纹管内无润滑油沸腾换热实验研究
要 为了建立无润滑 油的实验 台，采 用液压隔膜泵 为动力循环 ，以Ｒ １Ａ￣ Ｒ ２ ４ ０ Ｉ ２ 为工质在水平 内螺纹铜管 （ ５ Ｊ ｍｍ和 ９５ ｍｍ）中进行 了沸腾 换热实验研 究 ，并对 二者沸腾 换热性 能做 了对 比。分析讨论 了制冷剂质量 流速 、管外 水流量变 ．２
化 、强化管 的管径对 压降和换热系数 影响 。结果表 明：换热系数随着流量 的增 大而增大 ，管径 的大 小对同的流量下 ，９ ２ ． ｍｍ管径的换热系数是５ ５ ｍｍ的１ ２ ７２ 倍 ，５ ． ￣． ３ ２ ｍｍ管径的压降是９５ ｍ ．２ ｍ管径 的１ ８ ２ ８ ． ￣ ． 倍。 ４ ６ 关键词 工程 热物 理；Ｒ １Ａ； 内螺纹铜管 ；沸腾换热 ；性 能；实验研 究 ４０ 中图分类号 ：Ｔ ５ ； Ｋ１２ Ｂ６ ７ Ｔ ７ 文献标识码 ：Ａ
ＤＯＩ 编码： １．９ ９ ．ｓ． ２ ３ ４ ３ ．０ ０ ．２ ０３ ６ ￣ｉ ｎ ０ ５ — ３ ９ ２ １． ４ ０ ０ ｓ １
Ｒ １Ａ 内螺纹管 内无润滑油沸腾换热实验研究 ４０ 在
刘 荣 陶乐仁 高立博 薛维超 张玲玲 成 简 张庆 刚
（ 上海理工大学制冷与低温研究所 上海 摘 ２０９ ） ０ ０ ３
ｇｏ ｖ ｄｃ ｐ ｅ ｂ ｓ ｅ ｍｍ ａ ｄｔ ． ｒｍ） ｅｅｉｖ ｓｇ ｔ ｘ ｅ ｍｅｔｌ ， ｎ ｅ ｏｌ ｇｈａ ａ ｓ ｒ ｅｆｒ ｎ ｅｏ ｅ ｗｏ ｒｏ ｅ ｏ ｐ ｒ ｅ （５ ｎ ９５ ａ ｗ ｒ ｅｔ ａｅ ｅ ｐｒ ｎａｌ ａ ｄｔ ｉｎ ｅｔｒ ｆ ｒ ｍａ ｃ ｆｈ ｕ ｔ ｐ ２ ｎ ｉ ｄ ｉ ｙ ｈｂ ｉ ｔ ｎ ｅｐ ｏ ｔ ｔ
Ｅｘ ｒ ｍ ｅ ｔ ｌ ｔ ｙ ｏ ｉｉ ｇ Ｈ ｅ ｔＴｒ ｎ ｆ ｒ ｏ ０ ｗｉｈ ｕ ｐｅ ｉ ｎ ａ ｕｄ ｎ Ｂｏ ｌｎ ａ ａ ｓ ｅ ｆＲ４ Ａ ｔ ｏ ｔ Ｓ １
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内螺纹管沸腾换热的数值模拟
【摘要】建立沸腾换热数学模型和内螺纹管三维物理模型，运用fluent中UDF对三种不同螺距的内螺纹管沸腾换热进行数值模拟，从换热系数h、管内气相含量、阻力系数f三个方面对内螺纹管的沸腾传热和流动特性进行了对比研究，得出结论：在低雷诺数层流状态下（Re=1200），当内径为12mm的内螺纹管的螺距从100mm减小为30mm时，管内扰动增强有利于换热但阻力增大，气相含量从31%增加到45%不利于换热但阻力减小，而气相含量的影响明显大于扰动的影响，使得总的换热系数基本不变，而阻力系数从1.3左右减小到了0.8左右，综合换热性能变好。
【关键词】内螺纹管；沸腾换热；数值模拟；UDF
1.前言
在能源危机日益严重的当今，强化换热正被越来越多的人所研究。
内螺纹管作为一种有效的强化换热手段，具有换热系数高、易加工、造价低等优点。
对不同形状的内螺纹管，已有不少人从实验和数值模拟的角度进行了一定的研究。
张定才（1）对螺纹管内流动换热进行了数值模拟，从螺旋角和螺纹牙数两方面对对流换热的影响做了研究，结果表明，螺旋角越大，换热效果越好，螺纹牙数对换热影响不大。
程立新等（2）分别对水在垂直上升内螺纹管和光管中的流动沸腾传热进行了实验。
结果表明，内螺纹管中的流动沸腾换热系数为光管的 1.62 倍，而且内螺纹管中的起始沸点小于光管中的起始沸点。
Shome和Jensen（3）分别通过计算和实验系统地研究了螺纹管内层流流动与换热特性，发现高肋管阻力较光管增大50%，而低肋管则增大了10%-15%。
熊少武等（4）应用FLUENT 软件对制冷剂R134a在光管和横纹槽管水平管外沸腾传热进行三维数值模拟，得到其饱和泡状沸腾过程中体积含气率的分布规律，并比较了它们的换热系数。
由于螺纹对流体的扰动使管内产生复杂的二次流，对流体边界层和污垢层的形成产生很强的冲刷作用，致使管内流体的换热系数得到显著提到，这是螺纹管能强化换热的主要原因。
关于螺纹管内流动换热的实验很多，模拟却很少，对沸腾换热的数值模拟更少，所以本文对内螺纹管中的沸腾换热进行数值模拟，探索其流动换热规律。
2.物理模型与数学模型
2.1物理模型
螺纹管内流体模型的主要参数为螺纹管内径d、螺纹肋的螺距l、螺纹肋的牙数Ns和螺纹肋的高度e。
螺纹肋的几何参数为肋顶夹角a、肋顶厚度t1和肋底厚度t2。
其中，d=12mm、l=100mm、60mm、30mm；Ns=20；e=0.3mm；a=40°；t1=0.3mm。
文中取100mm长的管子进行模拟研究。
2.2数学模型
本文结合管内沸腾换热的流动和传热情况，对流经管内的流体进行如下的假设：
（l）假设管内的流动为非稳态不可压缩流动；
（2）当流体温度达到一定值时发生相变传热；
（3）假设壁面为无滑移边界条件；
（4）考虑重力场的影响；
（5）不考虑流体流动时的粘性耗散作用所产生的热效应。
由于fluent中没有专门模拟沸腾换热的模型，所以本文通过用户自定义函数UDF来实现。
沸腾换热的UDF 程序主要包括：从液相向气相转化的质量、从气相向液相转化的质量和相变潜热3 部分。
3.离散方法与数值方法
3.1离散方法
本文用ICEM软件对管内流体进行网格划分。
首先对入口截面进行面网格划分，由于靠近管壁部分会出现边界层，所以用O网格对壁面附近流体进行加密处理。
中间流体影响不大，为了节省计算时间，在中间流体区域自动生成较稀疏的四边形结构化网格。
最后按照螺纹管的旋转方向对面网格进行旋转拉伸从而生成六面体结构化网格。
3.2数值方法
（1）进口为速度进口边界条件，为0.03m/s。
进口流体为水，温度为372K，气相含量为零。
（2）出口为压力出口边界条件，为0Pa，参考压力为大气压。
设定上部出口的汽相回流为零，回流温度为372K。
（3）壁面为wall边界条件，采用恒壁温加热方法，温度为400K。
（4）UDF中设定相变温度为373K。
4.计算结果与分析
4.1计算结果
以进口速度为0.03m/s（Re=1200）三种螺纹管内流动为例，其速度场、气相分布对比如下：
图1显示了不同螺距的螺纹管内的流场分布。
螺纹管明显加强了管内的扰动，越靠近螺纹壁面扰动越强烈。
从（a）、（b）、（c）的对比可以看出，随着螺距的缩小，扰动从仅在壁面附近向中心处扩展，这促使管内不同流层流体混合，有利于换热。
（a）l=100mm （b）l=60mm （c）l=30mm
图1 内螺纹管横截面流场图
图2显示了不同螺距的螺纹管内的气相分布。
越靠近壁面处气相含量越高，在壁面附近形成了一层汽膜，而这会导致换热恶化，换热系数变小。
随着螺距的减小，气相含量明显增加。
显示了离入口20mm和60mm的截面处流场图。
在靠近螺纹管壁面处产生复杂的二次流，扰动强烈，图2（a）中在离入口20mm 处远离壁面的中心流体基本上沿着管子流动，扰动很小，图2（b）中在离入口60mm处远离壁面的中心流体在沿着管子流动的同时还有较明显的旋转流动，扰动较强。
（a）l=100mm （b）l=60mm （c）l=30mm
4.2数据分析
4.2.1参数定义
气相含量、阻力系数
式中：分别为气相和液相的体积，m3；μ为流体的动力粘度，Pa.s。
4.2.2不同螺距的内螺纹管的换热性能与阻力性能比较
计算结果显示了三种螺纹管气相含量随加热时间的增加而逐渐上升，在加热到1.5s时，气相含量基本趋于稳定，分别为45%、37%、31%。
随着螺距的减小，管内气相含量明显增加。
这是因为在传热过程中传热系数和阻力系数发生变化，变化趋势如下图。