蛇管式换热器传热性能的数值模拟

第３７卷　 第 ４期

　化

工

机

　

４械 １６

　

管 蛇式换 热器 传 热 性能 的 数 值 拟模

赵　　 壮　 文 李昌 　王 小芳　

（

理工东大学 ）华

摘　　 　 利要 用 ｕ ｎＦ 对光 蛇 管滑换 器 热进 行 模 了拟， 得出的 果结与 经 理典 论 较比 ， 现 数值 模拟 方 法　ｌ ｔ 将 ｅ发具 有相 当 的可 度靠 ，在并 相 同 部外 件条 对 ４下 不 种同结 的构 波纹 式 蛇 管 进 行 模拟 出，湍 流 状 下态管 内 得 　

体 流 的温度 和 场速度 场 微 观， 上说 明 了 纹 管 强波 化 传 热机 理。 分 析 了 波 高纹 度对 波 纹式 蛇 管 传 热 效 　

从的影率。响　

键 关　 词 蛇管换 热器 波 纹 度高比 　 中图 类号分 Ｔ０ １ Ｑ ５ ５　．

数 值模 拟　 文章编 号 ０５ — ０ ２４１ ４０ ６） — ４ ４２ ６９（ ０ ０ ０－ １０　

文 献４ 识标码 　 Ａ　

蛇 式 换热管 器是以蛇 形 管 作传 热为元件 的 换　热 器 ， 结构 简单， 造 、 装、 洗和维 方 修便 ， 它 制 清安 　 价格 廉 ， 在工低 业 产生 得中 到广 泛 的应 用… 但。

　

４ ｍｍ０。 　

是

， 缺 点的也是 很 明 显 的 它 ，即传热 效 低率， 成　

造浪 ， 费 显然 不符 合 高效传 热 系 统 的要 。求如 何 这　 蛇管 传对热 进行 有效强 化 一是直 传热 领域最 活 　 最 有跃生命 力的 课 题 在众 ，多 强化 传热 式 中方 螺，旋　槽 管 和波 管纹被广 认 为泛 有具 比较优越 的强化 传 　热

性　能］ 者 在 此笔 考虑 采 用波纹 型 强化换 　 。热

管

替代蛇 管换式热 器 直中 管方的式 来 优化蛇管 式 　

换热 器 的能性。 　

着 计算 随体 流动力学 （ 和计算 机技 Ｆ术 　 的ＣＤ ）

速飞 展 发 用，数值 模拟 方 对 法蛇管 换 热 的 器　流 采 场 进研行究 ， 够 能 得用到实 验方 法 法 得无 到 的流

场 　的 详细 信 息 ， 为 效有的 研 究方法 　 笔 。者 采 　成 用 用 商 Ｄ Ｃ 件软Ｆｕ ｎ 别分 对 普通 管 蛇式换 热　 Ｆ ｌ ｅ 器 和 波 ｔ纹式 蛇 管换 热器在 湍 流状 态 下的 场 进 流　

行图

蛇１管 构 结示 意　图　

纹 波结管构 如 图 ２ 所 ， 示是 将 长 直 铜 它管 　外 表面 沿径 处向理 大 成 小圆 弧 切 相 内外 形 ， 如波 　纹

状的 壁 薄管 。 　子

了 模拟 ，依 据模 拟 果 对 它结 们 性 的能进 了行分析　 比较 。

　 １ 普通 蛇管 及波 纹 式蛇 管 构结 　　 蛇管 式换热 器中 的 换热 管 是由 金属 或 非 金 　

属

子管 需 要 按 弯曲成长 的 形 蛇管 ， 文模 拟 所 用　使本 的 管 结蛇

构 如图 １ 示 所，将 一 根 内 径为 ２ｒ 是ｍ ５　 ａ 的 铜质长 直 管 弯 成４段 ，弯 曲 处曲率 半径 　为其

图２ 波 管纹构结示 意 图 　

　

赵

壮， ，９ ３年 月 生４， 研士究 生 。 海 上市 ０， ２７ 　 男１８ 硕 ２０ 。

３

２ ４　６

化　

工 　机 械　　

２ ０１ ０　

矩

对蛇管进行 纹处 理波 成 波后纹 式 蛇管， 结 　 其如构图 ３所 示 。　

度

，因该模 拟采此用 数的学模 型 和 计 算方法 可是　 行的 ，可用对 换热 效果进 验行 。证 ２　 ２波纹式 蛇管计算 模型 　 为． 验了证 纹 式 波蛇管 的换 热效果 ， 之 与相 将　同条件 （ 寸 、口 、 界 条 件 ） 的 光滑 管蛇进 　 尺入 边下 行 比较， 拟采用 ４种 不 同Ｄ／ 　的波 纹 管，模 　 Ｄ分 　

别为 记 ２、　４ 、 　　 ３ 　 、５ 纹 波。其管中 纹 波直管 线段 直

径 Ｄ　 ， ＝２５ｍ ， ｍ 直 径 Ｄ峰 波分 ２ 别 为３、０、 ５ 　４５ ４ ６、ｒ 。波纹管ｍ 线直 段 长 ￡ 度＝ｌｍ 形 弧 长段 ０　 ． ２ａｍ，

度 Ｌ２ｒ ： 　 ０。 ｍ／ 　Ｌ＝ ６ ０文献 研究 表 明， 纹 　ａ 。Ｌ ． 波

，图 波 纹式３蛇管结构 图　　

距间　，。／ Ｊ　的化变 波 对通纹 内传道 的热影 可响 以

　２ 数 值模 拟　

略 ， 忽而波 高纹度 对传 热性 能 的影 响 当相 著显 。　 因 此， 要对 必不 同纹波 度高 的波 管 纹行 模进 　拟有

究研 　

。

２１普 蛇通 的管数值模 拟 　． 　为 了 证验本 文模 型和计 算 方 法 可 的 行 ，性首　 先 照文 献按［ ］ 供的方 对法 光滑蛇 管 管 内湍流 　４提 动和换 热情流况进 数行 值模 拟采。 用 如 图 １示　所 内 Ｄ＝ 径 ５ｍ，２ ｍ单 长度 Ｌ段 ０ ｍ ＝弯 管分部 曲　 ５０ ｍ 率半，径 为４ ｍ 的 滑光 蛇 ，管 不同流速 工 况下 ， ０ｍ 　 进对恒 壁行加温 热 的 模 实验拟， 过 通 处 理后报 告得 　到 同不流速 下的 面平 壁 均 塞努 尔 特数 Ｎ模 。　 拟ｕ采 用工的为 温度 Ｔ 质＝ ９的Ｋ ， 水 ２ｆ３其 性物参数 为　

＝Ｐ ９８ ２ｇ ｍ ， 。 ４ ＝１ ３ ｋ／ 。）　 Ｋ＝９ ． ｋ／　 Ｃ 　 ８ Ｊ （ｇ ，　

１ ０ ×１６ ．０ 一０Ｎ・ ｓｍＡ ０ ＝６ （・ Ｋ），／ 　 ， ．Ｗ／ｍ Ｐｒ ＝　

光 蛇滑管 为 记 管 ， 内径１ Ｄ ５＝ ， 　ｍ 其 ２ｍ 单 　 直 管段长 度 Ｌ＝５ ０ｍ ，管部 分曲率 径半为　 ０ｍ弯 ４

ｍｍ。０ 　

２３ 数 计算值方法 　． 首先 用 使ｆｅ ｌ ｎ ｔ处 前理 件 软ｇ ｍ建 立ｉ何　几ｕ ａ ｂｔ 型模， 并 Ｔ用ｇ ｉ法划

分

六 体 面格 网， 界 件　条．ｒ ｄ 方

边义 定流体为速度 人 和 口由流 自出口， 物 性 常　和在 宏 观量能恒守 假的 设 条 下件 ，内 流体的流 和动 管 热量　 传递满 足 续连性方 程 、 动量 程方 以 及量 方　

７ 能 。管壁０ 材 料为铜 ， ２ ．导热 系 Ａ＝数 ８． Ｗ／ ｍ ３ ７６ （

　・

程 。湍

流模型 采用 标 准 　．型 ， ＭＰＳＥ ８模 用 Ｉ ＬＣ算

　法 处速理 度 和压 力耦合的问题 管壁设 置为恒 。　

壁加 温 。 　热

Ｋ ） 管 温壁度　 ３＝ ３， ５ Ｋ。 设 立边 的界条 件 为

　入

速 度 口 （ ｅ ｃ流ｔｉ ｅ）以 及 口 出流 ｕ— （ Ｖ ｉｌ－ ｌ ｔｏ ｎ Ｏｙｔ　

ｆｌ ） 　 ｏ 。

人 ｗ口 速度大小 分 别取 ｕ＝ ． ９ １ ０ ．、 ６　０ ０ 、 ２．０ １ 、 ０２ ．、２ ０４ｍ ｓ ．４ ０３、 ．０ ／ 人。 口 处 水流 温 度为 ２ 　３９ Ｋ

壁，面 温度定恒为 ３ 　 ３ Ｋ。 ３５ 纹 式 波蛇 管 数 模 拟值结 果 数与据 分 析 　

　Ｎ 的ｕ理 论 计 算值 用 的采 是 图 迪斯一 尔 特 波　

（ｉ ｕ。ｏｌ ｒ公 式 ： Ｄｔ Ｂ ｓｅ ） ｅｔｔ 　

Ｎ “０ ： ３０　 Ｐ　 ．Ｒ２ｒ　 ＿　

数值模拟得到０的 Ｎ 相的应理计算值论见表 　１ｕ 。 １表 　Ｎ 的模 拟值 与ｕ理论 对值照表　

４为图计 算模机拟 出 　与 Ｎｕ 关 系的曲线 　。

由

表１可 以 出 看 ，模拟值 ｕ与理 论值的 差　 Ｎ偏较 小 ５，以 。模 拟 内结果 满足 工 程 求 的精要 　在 ％

４ 图Ｎｕ与 　Ｒｅ 的关 曲线系　

取

人 速 度 为口 　 ：． ２ｍ ｓ Ｒ ３＝ ０时 的　００ 　 １ ／ ｅ 、　０

３第７卷 　第 ４ 　期

化　 工　机 　械　

３ ６４　

５

管根 子出 口 温 进 行 模度拟 分 ， 析析结果 如 图 ５ 分

　

～９所

。 　

示９ ５ 　图　管 口出 温　

度由模 拟 果结 可 以 出 看，纹 式 蛇管 的换 效　 热

波 图５ １出 温 度　口 　　管

率较

滑蛇管 光 显 著 的提 有 ， 高 且随 波 纹 着度　高而 的 增加， 换热 效 果 愈加 明 显。 热换效 率 分别 为 　光管 的 １１、 ４．． 、 １１ ３． ４ １ ２ １ ３、 ．倍 。但０是 当波 纹 度　高 Ｄ 比／　 高 于１ 时８ ， ４管 ， 口 管 处心中流　 ： Ｄ．如 　出 体 温的 和 度 波 高 纹 比度 为１ ８ 时 的３管相 不差 　．　 多

，说 明 虽然 加 增波 纹 高度 能 增 大 换 热 面 积，这 提　

换高 效热 ，率 波 是纹 度高 该应控 在制 一 个合理　

但

范的 内围 ，如 超果 这出个范 围 ， 么 热效 换率提 高 那 　 将那 么不明显 ，

反

而 增 了加流体 的力阻， 与高 　志这

伟　 人等 通过 实 验 法 方得 的出结 论 也有 一 定　契

图６ ２结 管 图构　 　　

合

， 明了数值 拟 模 法 可方以 对 实 验 有 定一 验证 　

说作用

，并 以可 某在 些 杂情 况下代复替 部 分实验， 减　少

实 次验 数。 　

下面通 选过取 光 管滑和 波 纹 管 截的 面速 　 （ １度 ）１分 析 出得以 上 论 的结 因。 原 由图 图　 、１ 来０　 １ 、１看 出， ０ １ 可光 管截面 流 道 速 梯度 度 较 ， 小度　速

分 布 较 均匀 ，管 中心 处 速 最度大 光 ，于 受由 到 壁面　

剪切应 的力 用作， 近 壁处 的度 速小 ， 并较且越 靠　近壁 面速度 越小 ， 到 壁面 的速 度 为 ０ 这 与考参 　文 直， ［］ ６ 献结 的论 一是 致 。的而波 纹 管由于特 殊波　

的图 ３７　 管　出 口 度 温

　峰

与谷 设波 ， 管 内流计 动 分 为 等直 径 速流 型和 　使 形 流 速弧型 ，流 沿流体动方 向在 波 峰处速 度 低 降、 　静压

增 大 ；谷处速度 加 、增压减 小 。样 流这体 　 静波

是在 反 复 改变 速度及 压 力 梯 度 进下行 ，的生 的　

漩产涡冲 着刷 边 界 ，层 大 地破坏 边界层了 的成形 。 极　

这 种 周性 期的截面 化变 增加 靠近 管壁 了 近附 的　

湍流 强度 和 湍流 热 给 能 ， 层力 流 和过 度流 到达 湍 　使

流传

， 热提 高而了 传热 效 率 其 管 外。相 形应　 从

成波的 纹 面表不 但扩大了 传 面热积， 也增 了加扰 动， 　

传使热 效 果显 著提 高。但是 波 当 峰直径太 大 ，　如

图８ ４ 管结 构 图 　　　

４ 管 ， 成 造波 区域 峰形 段 弧流内体 流 速 过 小 ，　 会导 　

４ ６４

　

化

　 工机

械　

２１ ０

０拒 　

致

主流无体法 过穿漩 涡与 面进 行壁 热量交换 ， 波

　 数值模拟， 拟结 果与 典经 结 的偏差ｑ论 ｄ， 证 　模 ｌ ， 验 ￣所用了数学 型 和模算计方法 的可 行性 。 　４ ２纹 管 波 于特由 殊 的 波峰 波与 谷 计设， 　管 ． 使　 流内是 在反 复 体改变速 度 压 及 力梯度 下进 行 的，　

纹

不 对 流能进体 行 效 有扰 动 响，了 化 传强 热　 影的

作。 用　

极大破 坏 地边了 界 的形层 成增。加了 近靠管 壁　

附近 的流 湍强 度和 湍 给流热能 力 ，层 流 过 度和流　 使

达到湍 流传

热 ，而提高了 热效率 。 传 　从 ４ ３波 纹 度 比 Ｄ ／ 高不宜太 ，高 波则纹 无　 ． 　Ｄ 。 否法 对体流进 行 效有 的扰 动 拟结 ， 果表 明 Ｄ／ 　 模：Ｄ

应保 在持１ ８下 。以． 　 参　 考　 文

　

献　图 １　 光管 面速 度　截

０１ 文陶 铨． 值 传热 学 （ ２ 版 西）安 ：安交 通 学 大　 　出 数第．

版西社 ，０ ６ ７ ２０． ０ ８ 　～０

２ 崔

海 亭， 英． 化培 热新技传 及其术应 用． 京 彭：强 北 　

学化 工 业出版社 ， ０ ２５ ０２ ． ６２～ 　７ ３

Ｚｉ ｒ ｐ ｖ　Ｖ ．Ｅ ｈｎ ｎｅ ｎ ｆＨｅ 　ｔｒＴｎ ｒｆｂ　　 ｍ－ 　 ｍｏａ 　 ａ Ｄｃｍ ｅｔｏ 　ａ ａ 　ｓｅ 　ｙ ａ Ｃｏ ｂ ｎ 　ｏｔ　 　 ｒｏ ｅ ａｔｓ ｒ ｌｙＳ ｉ ｉ ｎ ｆ ａＴ ｅｈ－ｔｒ 　ｉａｌｐＣｏ 　 ｇ ｒｄ ｕｂｔｓ ｔ　ａ ｒｕａｅ 　 Ｔ ｅｗｉ　ｈ

　 Ｔｅ 　 ｓ ａ ｅＩｓ ．ｒ ｔＩＪ ｗｉ ｄＴ ｐ 　 ｎ ｅ ｔｎ 　　 ｅ ｔ Ｈｔ ａ　Ｍａ ｒ８ｎ ｒ ｆ ０２　 ｓ 　Ｔ ｓａｅ 。 ０１

（ ４）： ～５１　 ４５ ４

张４露． 螺晓旋槽管传 热 流及阻性能 的 数模值 研 拟究： 　 ［ 士

论 文 ］ 海 上：东 理 工 大 ，０学 ６硕 ． 华２ 　

５ ０志高伟 纹．管强传 化机热及应理用 ． 北电 技术 力 ， 波　 　

东２ ０１ ）：７～ ４ ０　 （０ ４ ２

８

图　 １波节 和 波峰 处截 速 度　面１ ４结 　论　

６

侯琳 洁 纹 管． 强 传 化热 的数值 模拟 研 究 ： 士硕 　 论波［

文］西 安 ： 安 技 大科 学０ ７，． 西 ２ ０　

４

１ 笔 者对 光滑管管 内湍流 流 动换 和进行 热了 　．

（　 稿日 期 ０ ９１－： 修 回 日期０ ０ ：００ ３－　收 ２０ — ，３ ０２ １７－ ２）

ｕｍ ｅｒＮａ 　ｍｕ ｔｌ　 　 　ｈ ｓ ｅａ　 ｉ Ｉ Ｓ ｃｉ ａｉ ｎｏ ｅ Ｔｒｔｎ ｆ Ｈｅｒ ａ 　ｏｎｔ

Ｐ

ｅｆ ｍａｎ ｅ ｏ Ｃｆｏ ＨｅＩｔ Ｅｘ ｈ ｇ ｓｏｒｒ 　 　ｃ 　 ｉａ　 ｃ ｎａｅ ｒ

ＺＨＡ　Ｏ　ｕ ａ Ｚｈ ｎｇ，Ｌ 　ｎｅ ａｎ ＷＩ ｃ ｇ，Ｗ ＡＮｈＧ　ａ ｎａ　 ｉＸｆ ｇｏ（ Ｃ ｉｓａＵ ｉｓｅ ｏ Ｓｔｉｎ ｅ ａ Ｔｃ ｎｄｌ ｇ，Ｓａ ｇ ａ，０ ２ ，Ｃ ｉａ）７Ｅａ ｔ ｎ 　ｈｎｖ ｙｒ ｆｃｅｃ　　ｎ 　ｈｅｏ ｙ ｏ ｎ ｈ ｉ ２ｈ ３ ０　 ｉ ｈｎ 　

Ａｂ　ｔａ ｃ　 Ｔｅ ￥ ｔ　ｃ ｌｉ ｅｔ ｘ ｎ ｈ ｅｓｓ ｔｒｈ ｍ ｏｈ ｏ ｏｌ　ｈ 　ａ ｅｃ ａｇｒ ｗ　 ｅ ｅｓｍｕａ 　ｕｅｉ ｇＦｌ ｎ 　ｏｔ ｒ ｔ ｂ ｅｎｅａ　ｒ ｓ ｌ ｗａ 　　 ｒ ｉ ｔｄ ｓｌｎ　 ｕｅｔ ｓ ｆｗａｅ ｈ 　ｏ ｔ． ｄ ｅ ｉｔ 　 ｓｕｃ ｍ

ｒ ｐ ｄｗｈｉｃ ａｓｃ ｌ ｅｔｒ ． Ｉ ｗａ　 ｏ 　ｈ ｎｔ ｅｔｎ ｍ ｉｅ　ａｉ ｕａ ｉ ｎｍ ｅｈｄ ｗａ 　 ｙｅｒ

ｌａ ， ｅ ｄ ａｆｕ 　ｏ ａ 　 ｅ　 ｌｓｔｉａ 　ｈｏ ｔｙ ｓｆ ｕｄ ｔ　ｈ ａ ｕ 　ｒｃｌ ｍｓｌ ｏ 　ｔｔ ｏ 　ｖｓｒ　 ｅｉｂ 　ｌ ｎ 　 ｏｒ

ｋｎ ｓ ｏ　 ｏｒ ｔｇｄ ｃ ｉ 　 ｔ　 ｆ ｅ ｔｓｅ ｒｕ ｃ　ｅｒ 　 ｉ ｕｅ ａ ｎ ｅ　　 ｈｅｓ ｍ ｅ ｅｔｒａ 　 ｄｏ ｏ ｉｓ， ｔ ｅｔ ・ ｉｍ 　 ｆｄ ｃｒｕａ 　ｅｏ ｌ ｗ ｈ ｄｉｉｒ ｎ 　 ｕｔ ｔ ｒｓｗｅ ｅｓ ｍｌｔｄ ｕｄｒ 　ｔａ 　 ｘｅ ｌｎ ｃ ｔｎｎ ｓｉ 　ｅｈ 　

ｒｐｔｒ　 ｅｄ ａｄ ｖ ｃｔ　ｌｅ ｄ ｏｈ 　 　ｏｉ ｉ ｅ ｔ ｅｔ ｂ ｓｕｎ 　ｈ ｅｕ ｂ　ｌｎ ｏ 　 ｏｉ 　ｒ　 ｉｅ ｅｅａ ｕｅ ｆ　 ｎｌ　 ｅｏ ｉ ｆｌ　ｆｔ ｆ ｅ　ｎｗｄｓ ｈ 　ｕ 　ｅ 　ｄｒｔ ｅ ｒ ｕｔｅ ｔ ｃ ｎｔｄ ｎｗｅｅ ｄ ｖ ｒｄｔ ，ｅ ｅ ｉ—ｙ ｉｌ ｉｈ ｎ　

　 ｎ ｅ ｈ ｅ　 ｔｔａ ｓｅ　 ｅ ｈ ｎ ｓ ｏ 　ｅｃ ｒｕ ａ 　 ｅｌｏ　 ｓｅ ｐ ａｎ ｏｄ　 ｈ 　 ｒｉｅ　ｅ ． Ｔ 　ｈｎ ｕ ｎ ｅｏ　 　ｈ ａｃ ｈ ａ　ｒ ｄｎｆｒ ｃｍ ａｉｍ 　ｆ ｔ 　ｏｒ ｇ ｄ ｔｃ ｉｗｓ 　ａｘ ｉｌ 　 ｎ ｅ ｔ ｅ ｃｍｏ ｉｖ １ ｈ ｉ ｅ ｆｅ ｃ 　ｔ ｅ ｌｆｈ ｅｇｔ ｏｈ　 　ｏｒ ｇｔｏ 　 ｎｔｅ ｈ ａ ｒ　 ｆ ｎｅ ｉｉｒｎ ｙ 　ｈｏｅｃ ｒ ｕ ａ 　ｅ ｌｏ　 ｓ ａｙａｅ 　 ｉｈ 　ｆｔｅ ｃ ｒｕ ａｉｎ ｏ 　ｈ　 ｅｔｔａ ｅ ｓ 　 ｆｅ ｃｃ 　 ｔｆ 　 ｒ ｇ ｔｏｄｃ ｉｓ ｗａ　 ｎ ｚ ｄ．ｌ

Ｋ

ｅ ｗｙｏｒ　 ｏＣｌ Ｈ ｅｔｘＥｈ ｎ ，ｅｅｇ Ｈ　 ｔｏｏ 　 ｕｒａ ｎｉＮ，ｕｒ ｃ ｌｍｕ ａｉＳｎ ｓ ｉ ｄ ａ　　 ｃａ ｇ ｒ ｈｉｔａｉ　 ＲＣｆ ｏ ｇ ｒｔｏ ｍ ｉａ　ｅ ｉｌｏ ｔ