題目水-油換熱器管道流動(dòng)優(yōu)化數(shù)值模擬學(xué)生姓名學(xué)號(hào)專(zhuān)業(yè)班級(jí)設(shè)計(jì)（論文）內(nèi)容及基本要求設(shè)計(jì)要求：一、采用理論分析和CFD數(shù)值模擬方法對(duì)水-油管道流動(dòng)進(jìn)行優(yōu)化數(shù)值模擬工作。對(duì)不同形式的管道流動(dòng)的流動(dòng)狀態(tài)以及傳熱特性進(jìn)行分析對(duì)比從而達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。二、內(nèi)容要求：1.閱讀收集技術(shù)文獻(xiàn)資料（其中期刊、會(huì)議論文不少于6篇），理解設(shè)計(jì)任務(wù)，按學(xué)校有關(guān)要求完成開(kāi)題報(bào)告一份（前4周完成），包括本課題研究意義、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀、研究?jī)?nèi)容及方法、詳細(xì)的階段進(jìn)度時(shí)間計(jì)劃等內(nèi)容；2.翻譯相關(guān)外文資料一篇，原文不少于15000個(gè)印刷符號(hào)；3.熟悉并熟練掌握FLUENT數(shù)值模擬軟件，并對(duì)換熱器凹槽管管道和波紋管管道的換熱進(jìn)行數(shù)值仿真分析；4.完成設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)一份（30頁(yè)左右）；5.繪制有關(guān)技術(shù)圖紙,圖幅合計(jì)1張圖紙0#；6.所有正式文件均用A4紙張打??；7.提交內(nèi)容一致的電子文檔和紙質(zhì)文檔各一份；設(shè)計(jì)（論文）起止時(shí)間20年月日至20年月日設(shè)計(jì)（論文）地點(diǎn)指導(dǎo)教師簽名年月日系（教研室）主任簽名年月日學(xué)生簽名年月日

水-油換熱器管道流動(dòng)優(yōu)化數(shù)值模擬摘要:以水作為流動(dòng)介質(zhì)，應(yīng)用三維常物性不可壓縮流體穩(wěn)態(tài)湍流流動(dòng)模型，對(duì)凹槽管，波紋管內(nèi)的流動(dòng)及傳熱性能進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，并與光滑圓管進(jìn)行了對(duì)比。針對(duì)波紋管和凹槽管管內(nèi)流體流動(dòng)的特點(diǎn)，波紋管采用RNGκ-ε湍流模型，凹槽管用標(biāo)準(zhǔn)流模型，對(duì)等壁溫邊界條件下管內(nèi)流體三維流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬。本文研究了流速分別為0.5m/s、0.8

m/s、1.0m/s

、1.2

m/s時(shí)，在管徑16mm，管長(zhǎng)1800mm的波紋管中的流動(dòng)及傳熱特性。同時(shí)，本文對(duì)入口雷諾數(shù)分別為6000、12000、18000、24000的低溫流體流過(guò)較高壁溫的凹槽管時(shí)的流動(dòng)換熱特性進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。經(jīng)過(guò)模擬計(jì)算得出了流動(dòng)與換熱進(jìn)入充分發(fā)展階段時(shí)的不同截面處的溫度、速度、湍流動(dòng)能分布云圖。模擬結(jié)果表明對(duì)于所選結(jié)構(gòu)的波紋管和凹槽管，換熱量隨水流速度的增加而增大，同時(shí)湍流強(qiáng)化傳熱效應(yīng)增強(qiáng)，凹槽管、波紋管均比相同管徑的光管綜合換熱性能強(qiáng)。關(guān)鍵詞：強(qiáng)化傳熱；凹槽管；波紋管；數(shù)值模擬；傳熱特性

Numerical

Simulation

for

Flow

Optimization

of

Water

Oil

Heat

Exchanger

PipesAbstract:Thefluidflowcharacteristicsandheattransferperformanceinflutedtubeandcorrugatedtubeswerenumericallyinvestigatedandcomparedwithsmoothtube.Itisthree—dimensionalsteadyincompressibleturbulenceflowandwaterastheworkingmedium．Duetothespecialcharacteristicsofflowfield,corrugatedtubeswasperformedbyusingtheRNGk–εturbulencemodelandflutedtubewasperformedbyusingthestandardk-εturbulencemodelforthewalltemperatureisconstantinthetubes.Thecharacteristicsofturbulentflowandheattransferincorrugatedtubesofthediameter16mmandthelength18000mmwerestudiedindifferentconditionofthevelocityofflowat0.5m/s,0.8m/s,1.0m/s,1.2m/s.Atthesametime,thecaseswhichthefluidindifferentReynoldsnumberof6000,12000,18000,24000flowsoverflutedtubewithhigherwalltemperatureweresimulated.Thetemperature,velocitydistribution,pressure,turbulenceintensityatdifferentsectionsforfullydevelopedfluidwereobtained,whichwerecomparedwiththeresultsofsmoothtubes.Thenumericalresultsshowedthatthequantityofheattransferincreasedwiththerisenofthevelocity,andturbulentenhancedastheheattransferstrengthened.Itwasfoundthatthecorrugatedtubesandflutedtubecansignificantlyenhancetheheattransferunderthesamediametercondition.Keywords:corrugatedtubes;flutedtube;Heattransferenhancement;Numericalsimulation;Heattransfer②是由流體相關(guān)物性參數(shù)所組成的一個(gè)無(wú)量綱數(shù),多用來(lái)表明溫度邊界層和速度邊界層之間的關(guān)系,其值的大小反映流體物理性質(zhì)對(duì)對(duì)流換熱過(guò)程的影響強(qiáng)弱。其定義為:（2-5）上式中,為運(yùn)動(dòng)粘度;為熱擴(kuò)散系數(shù);為定壓比熱容。2.2數(shù)值模擬計(jì)算方法2.2.1FLUENT簡(jiǎn)介作為CFD軟件包的一種,FLUENT對(duì)流體運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性和專(zhuān)業(yè)性越來(lái)越得到研究人員的廣泛認(rèn)可,使其成為國(guó)際上非常流行的商用CFD軟件,其在美國(guó)的市場(chǎng)占有率超過(guò)60%,凡是和流體、熱量傳遞和化學(xué)反應(yīng)等相關(guān)的行業(yè)均可以采用。FLUENT具有豐富的物理模型、先進(jìn)的數(shù)值計(jì)算方法和強(qiáng)大的前后處理器功能,在流體機(jī)械、車(chē)輛工程、石油化工和航空航天等相關(guān)方面都有非常廣泛的應(yīng)用。另外,FLUENT還提供有用戶自定義函數(shù)(UDF),可以方便研究人員改進(jìn)和完善所采用的計(jì)算模型,從而可以更加方便的處理個(gè)性化的問(wèn)題。用FLUENT軟件求解問(wèn)題,一般需要用到三大部分軟件:前處理軟件、求解器、后處理軟件。其中前處理軟件的主要功能是創(chuàng)建研究對(duì)象的幾何模型,對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分操作并設(shè)置相應(yīng)的邊界條件,主要軟件包括GAMBIT、TGrid、prePDF、GeoMesh等。GAMBIT用于幾何模型的創(chuàng)建和相應(yīng)的網(wǎng)格劃分操作,可以生成FLUENT直接使用的網(wǎng)格文件,另外FLUENT還提供各類(lèi)CAD/CAE軟件包與GAMBIT的接口,這樣就大大增強(qiáng)了前處理器對(duì)復(fù)雜幾何模型的建模能力;求解器是FLUENT流體計(jì)算的核心,其主要功能是導(dǎo)入由前處理器或其他CAD/CAE軟件包所生成的網(wǎng)格文件、選擇流體計(jì)算的物理模型、確定材料屬性、施加相應(yīng)的邊界條件、流場(chǎng)初始化、仿真計(jì)算和后處理等;一旦所生成的網(wǎng)格文件成功讀入到FLUENT中,所有剩下的操作都可以在FLUENT里面完成,其中包括選擇流體計(jì)算的物理模型、確定材料屬性、設(shè)置相應(yīng)的邊界條件、流場(chǎng)初始化、仿真求解、根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)一步優(yōu)化網(wǎng)格質(zhì)量、對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行相關(guān)的后處理操作等;FLUENT本身附帶有強(qiáng)大的后處理功能,可以進(jìn)行一些圖像顯示、動(dòng)畫(huà)生成、生成計(jì)算報(bào)告等操作。此外,用戶還可以借助專(zhuān)業(yè)的后處理軟件Tecplot或CFD-Post進(jìn)行相關(guān)的后處理操作,不僅可以繪制函數(shù)曲線、二維圖形,還可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行三維面繪圖和三維體繪圖,同時(shí)還可以提供多種多樣的圖形格式。當(dāng)遇到一個(gè)需要用FLUENT求解的流體問(wèn)題時(shí),我們需要按照一定的思路對(duì)所要求解的問(wèn)題進(jìn)行分析,制定出相應(yīng)的求解方案。FLUENT的求解思路一般分為以下幾步:(1)確定計(jì)算目標(biāo)確定通過(guò)FLUENT仿真需要得到什么樣的結(jié)果,如何得到這些結(jié)果,這些結(jié)果需要采用什么樣的精度設(shè)置;(2)選擇計(jì)算區(qū)域?qū)λ獢?shù)值模擬的整個(gè)物理模型系統(tǒng)進(jìn)行抽象概括和相應(yīng)的簡(jiǎn)化處理操作,確定出計(jì)算區(qū)域具體包括哪些區(qū)域,在模型計(jì)算區(qū)域的邊界上需要使用什么樣的邊界條件,幾何模型需要采用二維處理還是三維處理,哪些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)最適合所要研究的對(duì)象;(3)選擇物理模型由于FLUENT中每一種具體的物理模型都有其相關(guān)的參數(shù)設(shè)置,所以在進(jìn)行數(shù)值模擬前,我們需要考慮好選擇什么樣的物理模型;(4)決定求解過(guò)程我們需要確定所要研究的對(duì)象是否可以直接利用FLUENT現(xiàn)有的計(jì)算公式和算法求解,是否還需要我們提供其它一些相關(guān)的參數(shù),是否可以通過(guò)修改一些相關(guān)的參數(shù)設(shè)置來(lái)使數(shù)值仿真更快收斂。在分析完上面四個(gè)方面的問(wèn)題以后,我們就可以對(duì)FLUENT的整體計(jì)算過(guò)程有一個(gè)清晰認(rèn)識(shí),這樣就可以較正確的開(kāi)始使用FLUENT進(jìn)行數(shù)值仿真了[6]。2.2.2數(shù)值模擬思想與理論在科技發(fā)達(dá)的今天，產(chǎn)品的研發(fā)具有快節(jié)奏的特點(diǎn)，強(qiáng)大的數(shù)值仿真技術(shù)已成為提高競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵因素之一。仿真的價(jià)值不僅僅是能夠引導(dǎo)設(shè)計(jì)，而且能夠用來(lái)開(kāi)發(fā)探索那些新穎的，富有創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)思路。在對(duì)流傳熱問(wèn)題的研究中，數(shù)值計(jì)算方法已經(jīng)得到的長(zhǎng)期的使用，其可靠性較好，數(shù)值結(jié)果貼近實(shí)際，能幫助我們精確分析研究中的關(guān)鍵影響因素，并能給出優(yōu)化的設(shè)計(jì)建議。本文利用Fluent軟件對(duì)相同管徑的光滑圓管與波紋管，和相同管徑的凹槽管與光滑圓管管內(nèi)流體的流動(dòng)狀態(tài)和特性進(jìn)行數(shù)值研究?，F(xiàn)實(shí)的世界中，流體流過(guò)固體表面發(fā)生的對(duì)流傳熱在時(shí)間和空間上都具有連續(xù)性，在數(shù)學(xué)上我們描述各種流體流動(dòng)與傳熱現(xiàn)象時(shí)采用的是偏微分方程加上各種邊界條件的形式，雖然在數(shù)學(xué)上已經(jīng)有了不少解析解，但是對(duì)于絕大部分工程應(yīng)用，常采用數(shù)值分析的方法得到實(shí)際問(wèn)題的近似解。數(shù)值傳熱學(xué)的基本思想就是：把時(shí)間和空間上連續(xù)的物理場(chǎng)離散化，用有限離散點(diǎn)處的變量值的集合來(lái)近似替代，通過(guò)離散方程建立離散點(diǎn)上各個(gè)變量之間的關(guān)系，然后求解代數(shù)方程來(lái)獲得各個(gè)變量的近似解。2.2.3流動(dòng)與傳熱問(wèn)題的控制方程流體的流動(dòng)與對(duì)流傳熱必須遵守三大守恒定律：質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律、能量守恒定律，下面列出了這些定律微分形式的控制方程[7]。質(zhì)量守恒方程（2-6）式中為密度（）,t為時(shí)間（s）,,,為速度在x,y,z三個(gè)方向的分量（m/s）動(dòng)量守恒方程（2-7）（2-8）（2-9）式中P為壓強(qiáng)（），、、粘滯力的分量（），、、為單位質(zhì)量力的三分分量（）能量守恒方程（2-10）式中E為流體微團(tuán)的總能，為焓，為有效熱傳導(dǎo)系數(shù)，為組分的擴(kuò)散通量，為體積熱源項(xiàng)。2.2.4湍流模型湍流是工程領(lǐng)域中比較常見(jiàn)的流體流動(dòng)狀態(tài)，其重要性不言而喻。Fluent提供了豐富的湍流計(jì)算模型，工程上最常用的是和這兩類(lèi)模型。標(biāo)準(zhǔn)（SKE）模型參數(shù)通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)校驗(yàn)過(guò)，多數(shù)情況下具有合理的精度和穩(wěn)定性，但是對(duì)強(qiáng)分離流、強(qiáng)旋轉(zhuǎn)流、大壓力梯度及大曲率流動(dòng)模擬精度不夠；RNG模型（重組化群模型）方程中的常數(shù)由重正規(guī)化群理論分析得到，修正了耗散率方程，對(duì)一些復(fù)雜的剪切流，含有漩渦、分離的流動(dòng)效果比SKE要好；Realizable模型（可視化模型RKE）其耗散率()方程由旋渦脈動(dòng)的均方差導(dǎo)出，適用范圍比較廣，精度高于RNG模型，對(duì)旋轉(zhuǎn)，分離，回流等現(xiàn)象能夠更好的預(yù)測(cè)。標(biāo)準(zhǔn)方程模型是建立在如下假設(shè)基礎(chǔ)上的：流體為完全湍流流動(dòng)，忽略分子粘性。湍動(dòng)能k方程為：（2-11）耗散率方程為：（2-12）這兩個(gè)方程中和分別表示平均速度梯度和浮力因素引起的湍動(dòng)能；表示總耗散率受到脈動(dòng)膨脹的影響。其中大小為1.44，大小為1.92，大小為0.09，和為湍流普朗特?cái)?shù)，大小分別為1.0，1.32.2.5SIMPLE算法在對(duì)控制方程離散化之后，可建立相應(yīng)的離散方程，但是除了如已知速度場(chǎng)求溫度分布這類(lèi)簡(jiǎn)單的問(wèn)題外，所生產(chǎn)的離散方程不能直接用來(lái)求解，還必須對(duì)離散方程進(jìn)行某種調(diào)整，并且對(duì)各未知量(速度、壓力、溫度等)的求解順序及方式進(jìn)行特殊處理。SIMPLE算法是目前工程上應(yīng)用最為廣泛的一種流場(chǎng)計(jì)算方法，它屬于壓力修正法的一種。SIMPLE是英文Semi．ImplicitMethodforPressure—LinkedEquations的縮寫(xiě)，意為“求解壓力耦合方程組的半隱式方法’’。該方法由Patankar與Spfldmg于1972年提出，它的核心是采用“猜測(cè)．修正’’的過(guò)程，在交錯(cuò)網(wǎng)格的基礎(chǔ)上來(lái)計(jì)算壓力場(chǎng)，從而達(dá)到求解動(dòng)量方程的目的。SIMPLE算法的基本思想可以描述如下：對(duì)于給定的壓力場(chǎng)，求解離散形式的動(dòng)量方程，得到速度場(chǎng)。因?yàn)閴毫?chǎng)是假定的或不精確的，由此得到的速度場(chǎng)一般不滿足連續(xù)方程，因此必須對(duì)給定的壓力場(chǎng)加以修正。修正的原則是：與修正后的壓力場(chǎng)相對(duì)應(yīng)的速度場(chǎng)能滿足這一迭代層次上的連續(xù)方程。據(jù)此原則，把動(dòng)量方程的離散形式所規(guī)定的壓力與速度的關(guān)系代入連續(xù)方程的離散形式，從而得到壓力修正方程，由壓力修正方程得出壓力修正值。接著，根據(jù)修正后的壓力場(chǎng)，求得新的速度場(chǎng)，然后檢查速度場(chǎng)是否收斂。若不收斂，用修正后的壓力值作為給定的壓力場(chǎng)，開(kāi)始下一層次的計(jì)算。如此反復(fù)，直到獲得收斂的解[7]。

第3章基于Fluent的換熱器管道流場(chǎng)模擬3.1強(qiáng)化換熱凹槽管內(nèi)流動(dòng)與傳熱數(shù)值模擬3.1.1問(wèn)題概述本研究采用Gambit前期軟件建立模型，研究強(qiáng)化換熱管為凹槽管在不同速度下的傳熱特性以及流動(dòng)狀態(tài)，并與相同尺寸的普通光滑圓管對(duì)比分析。管壁材料都為銅，其物性參數(shù)為=8978，=381，=387.6。圖3-1為光滑圓管物理模型，圖3-2為凹槽管的物理模型。光滑圓管與凹槽管的管徑均為0.03m。凹槽管的總長(zhǎng)度為0.54m，高為0.003m，每隔0.04m有一個(gè)寬為0.01m的凹槽，共10個(gè)[8]。圖3-1光滑圓管物理模型圖3-2凹槽管的物理模型管壁為恒溫，管內(nèi)有低溫水流過(guò)。高溫管壁向管內(nèi)的低溫水傳遞熱量。忽略重力影響，入口處水的初溫為300K，湍流度為15％管內(nèi)流體雷諾數(shù)變化范圍為。本研究采用常物性不可壓縮流體的三維穩(wěn)態(tài)湍流模型，控制方程包括：質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量方程、能量方程以及標(biāo)準(zhǔn)模型方程。采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)所建立的幾何模型計(jì)算區(qū)域進(jìn)行離散，利用有限體積法離散方程、非耦合的穩(wěn)態(tài)隱式格式求解。采用標(biāo)準(zhǔn)湍流模型計(jì)算模擬管內(nèi)湍流時(shí)的流動(dòng)和傳熱情況。壓力與速度的耦合計(jì)算采用SIMPLE方法，動(dòng)量、湍動(dòng)動(dòng)能、湍流脈動(dòng)耗散率以及能量方程為二階迎風(fēng)格式。邊界條件的設(shè)置：入口為速度邊界條件；出口為流動(dòng)出口邊界條件；壁面采用無(wú)滑移壁面條件，忽略壁面厚度，采用恒壁溫條件，壁溫為350K。流體的入口速度和雷諾數(shù)見(jiàn)表。為了與光滑圓管的換熱效果進(jìn)行對(duì)比，模擬光滑管時(shí)其模型和邊界條件和凹槽管一致。表3-1流體的入口速度和相應(yīng)的雷諾數(shù)雷諾數(shù)6000120001800024000入口速度m/s0.1610.3220.4830.6443.1.2Fluent的計(jì)算步驟3.1.2.1處理網(wǎng)格網(wǎng)格處理包括網(wǎng)格的輸入、檢查、光順、比例轉(zhuǎn)換和顯示等操作。讀入網(wǎng)格文件，進(jìn)行網(wǎng)格檢查。控制臺(tái)窗口中會(huì)顯示與網(wǎng)格有關(guān)的信息，包括網(wǎng)格空間范圍、體積信息、表面積信息、節(jié)點(diǎn)信息等等。網(wǎng)格中存在的任何錯(cuò)誤都會(huì)出現(xiàn)在這個(gè)信息報(bào)告中，其中最需要檢查的是網(wǎng)格單元的體積不能為負(fù)值，否則計(jì)算將無(wú)法繼續(xù)下去。本例網(wǎng)格良好無(wú)錯(cuò)誤。按比例調(diào)整網(wǎng)格，調(diào)整單位，統(tǒng)一單位為m。顯示網(wǎng)格。由于面板顯示太小，我們將局部放大顯示網(wǎng)格可以清晰的看到網(wǎng)格分布，如圖3-3。圖3-3網(wǎng)格顯示3.1.2.2計(jì)算模型設(shè)置求解器參數(shù)，選擇三維非耦合的穩(wěn)態(tài)隱式格式求解。模型選擇標(biāo)準(zhǔn)湍流模型k-epsilon(2eqn)，即兩方程模型。接受系統(tǒng)對(duì)模型的缺省設(shè)置。然后啟用能量方程并激活能量計(jì)算（在打開(kāi)的對(duì)話框EnergyEquation左側(cè)選擇框內(nèi)打勾）3.1.2.3定義材料性質(zhì)在材料庫(kù)中選擇液態(tài)水，并復(fù)制其屬性。密度998.2,比熱容=4182，熱導(dǎo)率，粘度。3.1.2.4定義邊界條件將流體材料設(shè)置為液態(tài)水（water-liquid），速度入口邊界條件速度設(shè)為0.483m/s湍流強(qiáng)度為15%，湍流長(zhǎng)度0.0021m(0.07倍的水力直徑)，入口溫度為300K。流動(dòng)出口邊界，F(xiàn)lowRateWeighting設(shè)為1。壁面材料屬性設(shè)為銅，密度8978，比熱381，熱導(dǎo)率387.6。設(shè)定溫度為350K。3.1.2.5求解過(guò)程參數(shù)設(shè)置完畢并檢查無(wú)誤后，便可以開(kāi)始流場(chǎng)計(jì)算，壓力與速度的耦合計(jì)算采用SIMPLE方法，動(dòng)量、湍動(dòng)動(dòng)能、湍流脈動(dòng)耗散率以及能量方程為二階迎風(fēng)格式。如圖3-4，初始化流場(chǎng)，設(shè)置殘差監(jiān)視器開(kāi)始迭代計(jì)算，經(jīng)過(guò)九十多次計(jì)算后結(jié)果收斂。圖3-4求解方式面板圖3-5殘差圖3.1.3凹槽管與光滑圓管模擬結(jié)果對(duì)比分析選定凹槽管與光滑圓管在垂直軸線X軸三個(gè)不同位置處，速度，溫度以及湍動(dòng)能分布云圖，對(duì)比分析。如圖3-6和圖3-7分別表示凹槽管和光滑圓管在入口速度V=0.483m/s時(shí)，在三個(gè)不同位置截面處的速度場(chǎng)云分布圖。圖3-9和圖3-10分別表示凹槽管和光滑圓管在入口速度V=0.483m/s時(shí)，在三個(gè)不同位置截面處的溫度場(chǎng)分布云圖，圖3-11和圖3-12分別表示凹槽管和光滑圓管在入口速度V=0.483m/s時(shí)，在三個(gè)不同位置截面處的湍動(dòng)能分布云圖。X=0.13mX=0.13mX=0.27mX=0.27mX=0.40mX=0.40m圖3-6V=0.483m/s凹槽管內(nèi)不同圖3-7V=0.483m/s光滑圓管不同截面處速度場(chǎng)分布云圖截面處速度場(chǎng)分布云圖3.1.3.1速度場(chǎng)分析從圖3-6和圖3-7中可以看出，光滑管內(nèi)流體的流動(dòng)速度在近壁面處梯度比管內(nèi)其它地方的速度梯度顯然要大，在管道中間部分流體的速度梯度相對(duì)來(lái)說(shuō)比較穩(wěn)定，而且在流道中間部分的流體流速最大，管內(nèi)流體的流動(dòng)速度沿著垂直于傳熱管軸向的方向在不斷地變小，同時(shí)流體流動(dòng)速度方向不沿管道軸向發(fā)生改變，這是由于壁面剪切力的存在造成的，在傳熱管內(nèi)近壁面處的流體的流動(dòng)速度比其它地方的速度要小。同樣在凹槽管內(nèi)流體的流動(dòng)速度也是在管道中間部分最大，在壁面處流體流動(dòng)速度較小，尤其是凹槽的凸起里面的流體。比較圖3-6和圖3-7光滑圓管和凹槽管速度場(chǎng)，可以從這兩個(gè)圖中觀察到，光滑圓管管內(nèi)流體的流動(dòng)比較平穩(wěn)，沿著流體流動(dòng)的方向流體的速度平坦而且速度方向沒(méi)有任何改變。相比之下，凹槽管內(nèi)的流體在流動(dòng)過(guò)程中速度變化梯度比較明顯，而且在凹槽管的壁面處的流體速度方向和光滑管的截然不同，它的速度方向發(fā)生了變化，所以凹槽傳熱管對(duì)管內(nèi)流體的擾動(dòng)更加劇烈。圖3-8V=0.483m/s凹槽管與光滑圓管內(nèi)速度矢量分布圖本例還截取了凹槽管和光滑圓管管內(nèi)速度矢量圖，對(duì)其部分進(jìn)行了局部的放大，如圖3-8。這有助于我們清晰地觀察凹槽管管內(nèi)介質(zhì)的流動(dòng)形態(tài)。光滑傳熱管內(nèi)流體的流動(dòng)速度方向和流體的流動(dòng)方向是平行的，而且流體的流動(dòng)速度的分布平坦，所以管內(nèi)流體就不能很好地對(duì)邊界層進(jìn)行擾流，這樣熱量就不能夠得到有效的傳遞。相較于光滑管，凹槽管凸起的管壁面對(duì)流體的流動(dòng)產(chǎn)生了引導(dǎo)，同時(shí)凹槽管的凸起部分對(duì)流體又有擾動(dòng)，所以凹槽管內(nèi)的流體比光滑管的多了兩種流動(dòng)方式：一個(gè)是沿著凸起流動(dòng)形成了流體的螺旋運(yùn)動(dòng)，這樣近壁面處流體和傳熱管管壁之間的相對(duì)速度就會(huì)增加，那么對(duì)流體熱邊界層的擾動(dòng)作用就越強(qiáng)，最終會(huì)減少管內(nèi)傳熱過(guò)程中產(chǎn)生的熱阻；一個(gè)是流體邊界層的分離然后再附著，也即就是流體在近壁面處因受到凸起管節(jié)的擾動(dòng)而在傳熱管管壁上產(chǎn)生了旋渦狀的流動(dòng)狀態(tài)。流體在流動(dòng)的過(guò)程中不斷地剝離和附著以及旋轉(zhuǎn)就增強(qiáng)了對(duì)熱邊界層的擾動(dòng)，也就促使了邊界層因破壞而導(dǎo)致厚度變薄，這樣有利于熱量通過(guò)邊界層進(jìn)行傳遞。在這兩種方式共同的作用下，凹槽換熱管管內(nèi)的傳熱得到了強(qiáng)化，這也是凹槽管的強(qiáng)化傳熱效果比光滑管的傳熱效果更加明顯的原因[9]。3.1.3.2溫度場(chǎng)分析圖3-9和圖3-10分別為當(dāng)管內(nèi)流體的流動(dòng)速度為0.483m/s時(shí)凹槽管和光滑圓管垂直軸線不同截面處溫度場(chǎng)的分布圖。觀察這兩個(gè)圖，可以發(fā)現(xiàn)，光滑管和凹槽管內(nèi)流體沿著換熱管軸向溫度不斷地升高，造成流體溫度沿著流動(dòng)的方向變化的原因是：換熱管壁面溫度比換熱管內(nèi)流體的溫度要高，這樣換熱管中的流體就相當(dāng)于被加熱了，近壁面處的流體溫度比中心處的溫度要高，越接近管道壁面，流體溫度升高的幅度就越大，溫度逐漸的向管中心擴(kuò)散，而且越靠近管道的出口溫度就越高。對(duì)比X=0.13mX=0.13mX=0.27mX=0.27mX=0.40mX=0.40m圖3-9V=0.483m/s凹槽管內(nèi)不同圖3-10V=0.483m/s光滑圓管內(nèi)不同截面處溫度場(chǎng)分布云圖截面處溫度場(chǎng)分布云圖圖3-9和圖3-10可以看出，沿著管道軸向凹槽管內(nèi)流體的溫升比光滑管的溫升快，也即是凹槽管內(nèi)流體的溫度改變的速度比光滑管的溫度改變的速度要快，且比光滑管內(nèi)流體溫度變化的范圍要寬且快很多，這就可以說(shuō)明凹槽管的換熱效果比光滑管的換熱效果要更好。3.1.3.3湍動(dòng)能場(chǎng)分析圖3-11和圖3-12分別為當(dāng)管內(nèi)流體的流動(dòng)速度為0.483m/s時(shí)凹槽管和光滑圓管垂直軸線不同截面處湍動(dòng)能場(chǎng)的分布圖。觀察這兩個(gè)圖，可以發(fā)現(xiàn)，光滑圓管內(nèi)流體流動(dòng)時(shí)，越靠近壁面湍動(dòng)能變化梯度越大，而三個(gè)不同截面的湍動(dòng)能值變化明顯，兩圖比較可知，凹槽管外型波峰的存在，湍動(dòng)能值增大且變化劇烈，湍動(dòng)能大，X=0.13mX=0.13mX=0.27mX=0.27mX=0.40mX=0.40m圖3-11V=0.483m/s凹槽管內(nèi)不同圖3-12V=0.483m/s光滑圓管內(nèi)不同截面處湍動(dòng)能場(chǎng)分布云圖截面處湍動(dòng)能場(chǎng)分布云圖則對(duì)流體的擾動(dòng)作用強(qiáng)，增強(qiáng)了管內(nèi)流體與管壁間的對(duì)流傳熱性能，起到了對(duì)流體傳熱的強(qiáng)化作用。3.1.4強(qiáng)化傳熱特性分析由于傳熱管管徑不變，雷諾數(shù)與流體速度成正比。雷諾數(shù)增加意味著流體速度的增加。圖3-13和圖3-14為出口總換熱量、流體出口溫度與雷諾數(shù)的變化關(guān)系。數(shù)據(jù)見(jiàn)表3-2，表3-3。不論是光滑管還是凹槽管，由于管長(zhǎng)一定，當(dāng)流體速度增加時(shí)，流體在管內(nèi)的受熱時(shí)間縮短，因此流體的出口溫度隨雷諾數(shù)的增加會(huì)降低但由于流體流量也在增加，總的換熱量也隨雷諾數(shù)的增加而升高。從圖中看出相對(duì)于光滑圓管，凹槽管內(nèi)流體的出口溫度和換熱量均有較大提高。這是由于管內(nèi)水流受到管內(nèi)表面凹槽的擾動(dòng)時(shí)加快了流體分離，削弱了凹槽內(nèi)邊界層的厚度，同時(shí)使主流流體的湍流程度加大，強(qiáng)化了換熱。同時(shí)重慶大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院閆云飛,張力,黃昕等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)凹槽高度越大，流體出口溫度和換熱量也越大。原因是凹槽越高，引起的渦流強(qiáng)度越大，邊界層表面更新更為劇烈，傳熱效果更好。凹槽管出口總換熱量比圓管提高24%?？梢?jiàn)凹槽管的換熱性能比圓管好得多。圖3-13出口總換熱量與雷諾數(shù)的關(guān)系表3-2出口總換熱量與雷諾數(shù)的關(guān)系雷諾數(shù)Re出口總換熱量/W凹槽管圓管600046583732120007351608618000109078699240001377810980表3-3出口溫度與雷諾數(shù)的關(guān)系雷諾數(shù)Re出口溫度/K凹槽管圓管6000314308120003103071800030830724000307306圖3-14流體出口溫度與雷諾數(shù)的關(guān)系3.1.5阻力特性凹槽管在增強(qiáng)換熱的同時(shí)，流動(dòng)阻力也有不同程度地增加。流速增加時(shí)，摩擦阻力及局部阻力均增加，因此光滑管與凹槽管的阻力均增大。凹槽管的阻力約為光滑管阻力的2-2.5倍。當(dāng)雷諾數(shù)大于15000時(shí)，光滑管阻力增加幅度減小，而凹槽管的阻力基本成線性增加。這是由于低雷諾數(shù)時(shí)，粘性力占主導(dǎo)地位，阻力系數(shù)較大；高雷諾數(shù)時(shí)，慣性阻力占主導(dǎo)地位，阻力系數(shù)較小。凹槽管的阻力增大，主要是由于流體流經(jīng)凹槽壁面時(shí)，產(chǎn)生邊界層分離和漩渦，導(dǎo)致流體流動(dòng)阻力增大。凹槽的高度越大，阻力也越大。凹槽結(jié)構(gòu)在提高換熱性能的同時(shí)，需要提供更多的泵功。表3-4雷諾數(shù)與進(jìn)出口壓差關(guān)系雷諾數(shù)Re進(jìn)出口壓差/Pa凹槽管圓管60002914120007533180002087724000289115圖3-15流體進(jìn)出口壓差與雷諾數(shù)關(guān)系3.2強(qiáng)化換熱波紋管內(nèi)流動(dòng)與傳熱數(shù)值模擬上文中已經(jīng)對(duì)凹槽管與光滑圓管的傳熱性能進(jìn)行了對(duì)比研究分析，為了進(jìn)一步從換熱性能上研究換熱管換熱特性，本節(jié)將對(duì)波紋管管內(nèi)流體流動(dòng)特性以及流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)圖3-16波紋管尺寸及物理模型行三維數(shù)值模擬并與相同截面尺寸的光滑圓管流動(dòng)特性以及流動(dòng)狀態(tài)對(duì)比分析。波紋管是一種能同時(shí)強(qiáng)化管內(nèi)和管外傳熱的雙面強(qiáng)化管。如圖3-16所示，由依次交替的弧形段(波峰)和直線段組成，由于斷面改變，使弧形段內(nèi)壁處發(fā)生兩次反向擾動(dòng)，較大地破壞了邊界層的熱阻層，加大了流體的湍動(dòng)程度，因而強(qiáng)化了傳熱[10]。3.2.1數(shù)值模型在建立模型時(shí)，對(duì)管內(nèi)流動(dòng)作如下假設(shè)：(1)流體為不可壓縮流體，并且為充分發(fā)展的湍流流動(dòng)；(2)流體物性不隨溫度發(fā)生變化；(3)忽略重力的影響；(4)所有界面和接觸表面不變形，液—固接觸面為無(wú)滑移邊界；(5)管壁很薄，忽略壁厚對(duì)傳熱的影響，將壁厚設(shè)置為0；(6)不考慮流體中的粘性耗散[10]；3.2.1.1控制方程根據(jù)以上假設(shè)，由于是定常不可壓流動(dòng)，則采用三維不可壓縮流動(dòng)的質(zhì)量守恒方程式（2-6）動(dòng)量守恒方程（2-7,2-8，2-9）能量守恒方程（2-10）3.2.1.2邊界條件本文模擬計(jì)算過(guò)程涉及到兩種邊界條件：速度入口和流動(dòng)出口。將流體材料設(shè)置為液態(tài)水（water-liquid），初始溫度為17℃，即273+17=290K，圓管和波紋換熱管的壁面采用恒壁溫條件，壁溫為45℃，即273+45=318K。壁面材料默認(rèn)Fluent的材料物性參數(shù)。速度入口邊界條件速度設(shè)為速度大小與方向。入口速度大小分別取0.5、0.8、1.0、1.2，方向垂直于進(jìn)口截面，各流速對(duì)應(yīng)的雷諾數(shù)分別為6570、10511、13139、15767；湍流參數(shù)選取湍流強(qiáng)度5%，水力直徑16mm。3.2.1.3網(wǎng)格劃分四面體是三維空間最簡(jiǎn)單的形狀，任何空間區(qū)域都可以被四面體單元所填滿，即任何空間都可以被以四面體為單元的網(wǎng)格所劃分。由于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格舍去了網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)性限制，節(jié)點(diǎn)和單元的分布是任意的，易于控制網(wǎng)格單元的大小、形狀和網(wǎng)格點(diǎn)的位置，因而比結(jié)構(gòu)網(wǎng)格具有更大的靈活性，對(duì)復(fù)雜外形的適應(yīng)能力強(qiáng)，能較好的處理物面邊界。針對(duì)本文中計(jì)算區(qū)域的幾何結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的情況，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行離散化，網(wǎng)格劃分的步長(zhǎng)為1.8mm。如圖3-17。圖3-17波紋管圓管網(wǎng)格形式

3.2.1.4求解方法圓管采用標(biāo)準(zhǔn)k?ε湍流模型，波紋管采用RNGk?ε湍流模型，采用二階迎風(fēng)差分法對(duì)控制方程進(jìn)行離散，采用SIMPLE算法進(jìn)行壓力修正。定義收斂的條件為殘差絕對(duì)值小。波紋管在經(jīng)過(guò)一百三十多次計(jì)算后結(jié)果收斂，圓管經(jīng)過(guò)一百七十多次計(jì)算結(jié)果收斂。殘差圖如下圖3-18波紋管在速度為1.0m/s時(shí)殘差圖圖3-19圓管在速度為1.0m/s時(shí)殘差圖

3.2.2模擬結(jié)果對(duì)比及分析3.2.2.1速度場(chǎng)分析以進(jìn)口流速V=1.0m/s為例，截取垂直于中心軸的三個(gè)截面，，，分析流體在圓管和波紋管中相同位置處速度的變化，結(jié)果如圖3-20和圖3-21。X=0.7mX=1.02mX=1.35m圖3-20V=1.0m/s波紋管內(nèi)不同圖3-21V=1.0m/s光滑圓管內(nèi)不同截面處速度分布云圖截面處速度分布云圖從圖3-20和圖3-21中可以看出，光滑圓管內(nèi)的流動(dòng)速度比波紋管里的流動(dòng)速度快，光管近壁面的速度邊界層較薄，并且在流動(dòng)過(guò)程中保持不變，因此相較于光管，波紋管內(nèi)部產(chǎn)生的渦旋對(duì)流體的擾動(dòng)較強(qiáng)。光滑管內(nèi)流體的流動(dòng)速度在近壁面處梯度比管內(nèi)其它地方的速度梯度顯然要大，在管道中間部分流體的速度梯度相對(duì)來(lái)說(shuō)比較穩(wěn)定，而且在流道中間部分的流體流速最大，管內(nèi)流體的流動(dòng)速度沿著垂直于傳熱管軸向的方向在不斷地變小，同時(shí)流體流動(dòng)速度方向不沿管道軸向發(fā)生改變，這是由于壁面剪切力的存在造成的，在傳熱管內(nèi)近壁面處的流體的流動(dòng)速度比其它地方的速度要小。同樣在波紋管內(nèi)流體的流動(dòng)速度也是在管道中間部分最大但沒(méi)有圓管中的大，在壁面處流體流動(dòng)速度較小，尤其是波紋的波峰里面的流體。為了更清晰地看清二者管內(nèi)的流動(dòng)現(xiàn)象，我們?cè)谶@里取波紋管和光滑圓管內(nèi)流體流動(dòng)的矢量圖分析，結(jié)果如圖3-22和圖3-23。圖3-22波紋管速度矢量圖由兩圖中可以清楚地看出，在遠(yuǎn)離壁面處的流速基本與入口流速相同，且不沿流向變化，而由于壁面剪切應(yīng)力的作用，近壁處的速度較小，并且越接近管壁速度越小，直到壁面上的速度為零。在光滑圓管中的流體徑向速度與主流速度相比很小，說(shuō)明圓管中流體的換熱主要靠導(dǎo)熱作用。而在波紋管中的流體經(jīng)過(guò)波峰時(shí)，管壁處形成徑向漩渦，增加了流體邊界層的擾動(dòng)，促使邊界層表面更新加劇，有利于使熱量通過(guò)邊界層進(jìn)行傳遞。當(dāng)渦流將要消失時(shí)，流體又經(jīng)過(guò)下一個(gè)波紋，保證了連續(xù)穩(wěn)定的強(qiáng)化換熱作用。圖3-23光滑圓管速度矢量圖隨著流體的流動(dòng)，波紋管近壁面區(qū)域的速度邊界層逐漸減薄，并且在波紋的下游區(qū)域減小到最薄，這是由于流體在波紋內(nèi)分離為三個(gè)方向的流動(dòng)，一部分是沿波紋做周向運(yùn)動(dòng)，一部分做徑向運(yùn)動(dòng)，一部分沿著原來(lái)的流動(dòng)方向做軸向運(yùn)動(dòng)，這三個(gè)方向的流動(dòng)在波紋的近壁面合成為復(fù)雜的脫體渦旋，從而在很大程度上破壞了速度邊界層，在近壁處引起了擾動(dòng)。光管在近壁面的速度邊界層較薄，并且在流動(dòng)過(guò)程中保持不變，因此相較于光管，波紋管內(nèi)部產(chǎn)生的渦旋對(duì)流體的擾動(dòng)較強(qiáng)，利于換熱。3.2.2.2湍動(dòng)能分析同樣截取垂直軸線X方向上三個(gè)不同位置處的截面，對(duì)比分析在相同位置截面處，波紋管和圓管的湍動(dòng)能變化情況。X=0.7mX=1.025mX=1.353m圖3-24V=1.0m/s波紋管內(nèi)不同圖3-25V=1.0m/s光滑圓管內(nèi)不同截面處湍動(dòng)能分布云圖截面處湍動(dòng)能分布云圖從圖中可以看出，隨著流體的流動(dòng)，在波紋管的近壁面處產(chǎn)生了湍動(dòng)能變化，且增大幅度明顯。流體在圓管中流動(dòng)時(shí)，越靠近壁面湍動(dòng)能變化梯度越大，而在三個(gè)不同截面的湍動(dòng)能值變化不明顯，且沒(méi)有湍流中心；兩圖比較可知，波紋管外型由于波峰的存在，湍動(dòng)能值增大且變化劇烈，湍動(dòng)能大，則對(duì)流體的擾動(dòng)作用強(qiáng)，延長(zhǎng)了流體在管中的停留時(shí)間，使得換熱時(shí)間延長(zhǎng)。增強(qiáng)了管內(nèi)流體與管壁間的對(duì)流傳熱性能，起到了對(duì)流體傳熱的強(qiáng)化作用。3.2.2.3溫度場(chǎng)分析以上分析了波紋管和圓管里的速度以及湍動(dòng)能場(chǎng)分布，這里我們分析一下管內(nèi)的溫度場(chǎng)分布，分布云圖如圖3-26，圖3-27所示。X=0.7mX=1.025mX=1.353m圖3-26V=1.0m/s波紋管內(nèi)不同圖3-27V=1.0m/s光滑圓管內(nèi)不同截面處溫度分布云圖截面處溫度分布云圖觀察這兩個(gè)圖可以發(fā)現(xiàn)，波紋管和光滑圓管內(nèi)流體沿著換熱管軸向溫度不斷升高，造成流體溫度沿著流動(dòng)方向變化的原因是：換熱管壁面溫度比換熱管內(nèi)流體的溫度要高的多，這樣換熱管中的流體就相當(dāng)于被加熱了，近壁面處的流體溫度要比中心處的溫度高。越接近管道壁面，流體溫度升高的幅度就越大，溫度逐漸的向管中心擴(kuò)散，而且越靠近管道的出口溫度就越高。對(duì)比圖3-26和3-27可以看出，沿著管道軸向波紋管管內(nèi)流體的溫升比光滑管的溫升快，也即是波紋管管內(nèi)流體的溫度改變的速度比光滑管的溫度改變的速度要快，且比光滑管內(nèi)流體溫度變化的范圍要寬，這就可以說(shuō)明波紋管的換熱效果比光滑管的換熱效果要更好。3.2.3強(qiáng)化傳熱特性分析通過(guò)模擬軟件Fluent計(jì)算得出不同雷諾數(shù)與出口總換熱量以及出口溫度的關(guān)系。繪制成圖3-28和圖3-29所示的出口總換熱量和出口溫度隨雷諾數(shù)變化的曲線圖。由圖可知，不論是光滑圓管還是波紋管，由于管長(zhǎng)一定，當(dāng)流體速度增加時(shí)，流體在管內(nèi)的受熱時(shí)間縮短，使得對(duì)流換熱時(shí)間縮短。因此流體的出口溫度隨雷諾數(shù)的增加也即流體流流速的增加會(huì)降低但由于流體流量也在增加，總的換熱量也隨雷諾數(shù)的增加而升高。從圖中看出相對(duì)于光滑圓管，波紋管內(nèi)流體的出口溫度和換熱量均有較大提高。這是由于管內(nèi)水流受到管內(nèi)表面波紋的擾動(dòng)時(shí)加快了流體分離，加劇流體湍流，促使邊界層表面快速更新，削弱了波紋內(nèi)邊界層的厚度，同時(shí)使主流流體的湍流程度加大，從而達(dá)到強(qiáng)化傳熱的目的。從圖3-28出口總換熱量隨Re的變化曲線中得出波紋管的出口總換熱量比光滑圓管提高35%。圖3-28出口總換熱量隨Re的變化曲線表3-5出口總換熱量隨Re的變化關(guān)系雷諾數(shù)Re出口總換熱量/W凹槽管圓管6570527044561051178305973131399700675815767119208500表3-6出口溫度與雷諾數(shù)的關(guān)系雷諾數(shù)Re出口溫度/K凹槽管圓管657030930310511307.9302.713139305302.215767303299圖3-29出口溫度隨Re的變化曲線優(yōu)化計(jì)算表明,波紋管在低雷諾數(shù)下不能有效發(fā)揮強(qiáng)化傳熱作用,相反還會(huì)削弱傳熱。其強(qiáng)化傳熱特性體現(xiàn)在高雷諾數(shù)下，無(wú)論是在低雷諾數(shù)區(qū)域還是在高雷諾數(shù)區(qū)域,選擇小波紋間距有利于增強(qiáng)波紋管的傳熱,同時(shí)又能降低阻力系數(shù)。對(duì)于波紋管結(jié)構(gòu)尺寸的選取,可結(jié)合具體的應(yīng)用情況及加工工藝進(jìn)行分析[11]。

第4章結(jié)論采用Fluent商業(yè)計(jì)算流體軟件對(duì)強(qiáng)化換熱管波紋管和凹槽管內(nèi)的流體流動(dòng)狀態(tài)與傳熱情況進(jìn)行了三維數(shù)值模擬。模擬了湍流情況下凹槽管和波紋管內(nèi)不同速度對(duì)流動(dòng)與傳熱的