《武汉工程大学学报》  2011年05期 89-93   出版日期：2011-05-31   ISSN:1674-2869   CN:42-1779/TQ

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横纹管脉冲流流动与换热数值分析


0引言横纹管是20世纪70年代中期出现的一种高效换热元件.Kalinin E K、贾檀等对横纹管的传热与流体力学特性进行了研究，研究表明横纹管对流体的扰动效果优于光管，而且管内流体流动会引起层流底层处流体的径向脉冲，有利于热量通过层流底层而进入流体主体［12］.　　脉冲流动是指在一定的速度基础上叠加一正（余）弦变化的速度的流动.Richardson 和Tyler通过实验的方法测得了往复流动的速度分布，发现速度分布存在速度环效应，即最大速度不在管中心，而在靠近壁面处，Uchida获得了圆管内脉冲流动速度分布的解析解，证明了这一现象［34］.　　脉冲流动对对流传热的影响目前还没有一致结论：1）俞接成、Himadri Chattopadhyay等认为脉冲流动对传热过程没有影响［56］；2）Mackley M R、Zohir A E等认为脉冲流能强化传热［79］；3）Himadri Chattopadhyay、Valueva E P等认为脉冲流弱化或强化传热取决于脉冲传热对应的边界条件和脉冲流参数［6,10］.　　本研究应用Fluent软件对等壁温条件下，横纹管内脉冲流进行数值模拟，研究层流条件下，脉冲流对管内单相流流动和换热的影响.1物理模型和控制方程横纹管的物理模型如图1，其总长度L=1 800 mm，共包含145个横纹，两端分别有l1=30 mm和l2=36 mm的直管段.计算时做如下假设：1）流动与换热在管内充分发展；2)忽略体积力和粘性耗散.流动与换热控制方程的张量形式为［1］：
质量守恒方程xi(ρui)=0(1)
动量方程lit+xi(ρuiuk)=xiμukxi-pxk(2)
能量方程Tt+xi(ρcpuiT)=xiλTxi(3)图1横纹管尺寸图
Fig.1Schematic of Transverse Tube2数值计算用 Gambit进行网格划分，将横纹管简化成二维模型，并对其进行全尺寸模拟，网格单元类型为结构化四边形网格.网格化分时，考虑到边界对流动和传热的影响，同时为了便于捕捉漩涡的生成与脱离，对边界部分进行加密，共生成360 000个网格单元，网格模型如图2.图2横纹管网格
Fig.2Transverse Tube grid　　该模型的几何参数如图1.壁面为等温条件，温度为293 K,壁面速度无滑移.本文将入口给定速度脉冲作为脉冲流动的原因，其表达式为：v0=vs［1+A·sin(2πft)］(4) 其中v0为脉冲流瞬时速度，vs为稳态流速度，A为脉冲流振幅，f为脉冲流频率.显然当A为零时，演变成稳态流.计算时，vs=0.03 m/s，A分别取0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1，f分别取2, 4, 5, 8, 10,流体进口温度为333 K.采用压力与速度耦合的SIMPLER算法进行离散求解.对流项采用QUICK格式，扩散项采用中心差分格式.收敛标准是出口处的平均温度呈周期性等幅波动.3结果与讨论为了更好的对获得的计算结果进行分析.定义无量纲振动雷诺数Re0=Vfγ，其中V为脉冲流振幅速度,m/s；f为脉冲流频率，1/s；γ为运动学粘度m2/s ［1112］.计算得出Re0值为3~40.定义脉冲流强化传热系数h=α0αs，式中α0为脉冲流工况下的对流传热系数，αs为稳态流工况下的对流传热系数.第5期林纬，等：横纹管脉冲流流动与换热数值分析
武汉工程大学学报第33卷
3.1出口截面平均压力　图3给出了在振幅一定或频率一定的条件下，出口截面平均压力随相位（2πft)的波动图.图3(a)给出A=0.4, f分别取2,4,5,8,10时出口截面平均压力图，从图中可以看出，随着脉冲频率f的增大，出口截面平均压力的波动振幅增大.(a)A=0.4(b)f=5
图3出口截面平均压力波动图
Fig.3Distribution of the average outlet pressure图3(b)给出f=5, A分别取0, 0.2, 0.4, 06, 0.8, 1时出口截面平均压力图，从图中可知，随着脉冲振幅A的增大，出口截面平均压力的波动振幅变大.3.2脉冲流参数对温度场的影响图4（a）给出了脉冲流振幅A=0.4时不同频率下的强化传热系数曲线，强化传热系数随着脉冲频率的增加波动幅度不大.图4(b)给出了脉冲流振幅A=0.4时不同频率下的横纹管中间段第73个圆弧最小截面处时均径向温度分布图，随着脉冲频率的增加，时均径向温度分布曲线变化不明显.从图中可以看出当脉冲流流速和振幅较低时，对流换热系数时均值、在管内流动充分发展段的径向温度时均值与对应的稳态流的值相同，其中微小差别是计算误差造成的.图4(c)给出了脉冲流频率的变化对横纹管出口平均温度的影响，由于脉冲流的作用，出口平均温度呈现出正（余）弦波动.图5给出了在脉冲频率f=5时强化传热系数曲线.从图中可以看出，当脉冲振幅增加至A=0.8时，强化传热系数得到大幅提高.同时对计算结果进行分析发现横纹管第73个圆弧最小截面处时均径向温度分布图曲线发生变化，温度梯度变大.(a)强化传热系数曲线(b)第73个圆弧最小截面处时均径向温度分布(c)出口平均温度分布图
图4脉冲流振幅A=0.4温度参数曲线
Fig.4The temperature distribution when pulsating
flow amplitude A=0.4图5脉冲流频率f=5时，强化传热系数曲线
Fig.5The enhanced heat transfer
coefficient curve, when f=43.3脉冲流参数对流场的影响图6给出稳态流工况下横纹管管内流场分布和在脉冲流参数A=0.6，f=5时管内流场随时间的分布.稳态流工况下，管内流体流动呈层流状态；在脉冲流作用下，随着时间的变化，在管壁附近不断会有漩涡的周期性的生成和脱落.图6A=6，f=5时管内流场分布
Fig.6The flow distribution in tube when A=4，f=5通过对计算结果分析：a）在振幅相同时，随着频率的变化，管壁附近漩涡的生成和脱落的规律一致;b）在不同频率生成的最大漩涡内的最大速度随着频率的增加而增加.图7给出了脉冲流频率f=5时，不同振幅下产生的最大漩涡流线图.随着脉冲振幅的增加，漩涡由管壁向管中心扩散，当振幅A=1时，管内流体形式向有回流的脉冲流（往复流动）过渡，流体状态逐渐转变为紊流，整个管内部不断有漩涡的生成、转移和脱落，加剧流体的径向扰动和相互扰动，这对流体的质量和能量输运是有利的，从而使对流换热系数相对于稳态流工况下有大幅提高.图7不同振幅下漩涡流线图
Fig.7The vortex of flow under different amplitude
注：f=5.3.4脉动参数对壁面剪切力的影响图8壁面剪切力分布
Fig.8Wall shear stress distribution　　图8给出了在脉动流和稳态流工况下，横纹管内壁切应力的变化曲线，脉动流条件下，脉动流增大了管内流体的径向扰动，壁面切应力随着脉动流振幅的变化，随着脉动周期发生周期性波动，周期平均切应力大于稳态流工况下的切应力.4结语本研究运用数值模拟的方法对低速、低振动雷诺数下横纹管内脉冲流流动和换热情况进行了分析.所得结论如下：a.横纹管出口截面的平均压力呈现与脉冲流周期相同的正（余）弦波动，大小随着脉冲流振幅、频率的增大而增大.b.管出口截面平均温度随脉冲流速度的变化，呈现出正（余）弦波动.c.相较稳态流的层流流动，由于脉冲流的作用，管内壁附近会有漩涡周期性的产生、迁移和脱落，壁面切应力呈周期性波动.d.在脉冲流流速较低、振幅较小的情况下，脉冲流换热与稳态流对流换热系数基本相同，脉冲流频率对强化传热系数影响较小.e.随着脉冲流振幅的增加，脉冲流对流换热系数明显提高，当A=1时，强化传热系数达到197.