管內對流換熱的場(chǎng)協(xié)同分析及換熱強化

第24卷第4期工程熱物理學(xué)報VoL 24. No42003年7月JOURNAL OF ENGINEERING THERMOPHYSICSJul,2003管內對流換熱的場(chǎng)協(xié)同分析及換熱強化孟繼安陳澤敬李志信過(guò)增元(清華大學(xué)工程力學(xué)系,北京100084)擴要導出管內湍流換熱Nv與局域時(shí)均參數的關(guān)系式,將對流換熱的場(chǎng)協(xié)同理論擴展至湍流換熱。分析了管內對換熱的特點(diǎn),并根據場(chǎng)協(xié)同理論提出強化湍流換熱的方法,發(fā)展了一種新型強化換熱管一交叉橢園管,既適合于層流換熱強化也適合于湍流換熱強化,其強化傳熱效果顯著(zhù)而流阻較小關(guān)鍵詞對流換熱強化;場(chǎng)協(xié)同理論;交叉橢圓中圖分類(lèi)號:TK124文獻標識碼:A文章編號:0253-231X(2003)04065203FIELD COORDINATION ANALYSIS AND CONVECTIONHEAT TRANSFER ENHANCEMENT IN DUCTMENG Ji-An CHEN Ze-Jing LI Zhi-Xin GUO Zeng-Yuan(Department of Engineering Mechanics,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)Abstract The relation between Nu and the local time-average parameter of turbulent convectionheat transfer are derived. It indicates that the field coordination principle of convection heat transferis available for turbulent convection heat transfer. The features of convection heat transfer in ductare analyzed, and the new method for turbulent convection heat transfer enhancement is presentedaccording to the field coordination principle. a new kind of enhanced heat transfer tube, the crossellipse tube, is developed. It is effective to enhance heat transfer for both laminar flow and turbulentflow with lower additional flow resistanceKey words heat transfer enhancement; field coordination principle; cross ellipse tube1引言對流換熱大量存在于石油、化工、動(dòng)力、制藥等湍流是一種復雜的三維流動(dòng),其瞬時(shí)物理場(chǎng)(速領(lǐng)域,而且常常還起著(zhù)關(guān)鍵作用.湍流換熱在實(shí)際度、溫度等)是時(shí)間的隨機函數,因而研究湍流換熱工程應用中最為普遍,因而其換熱強化技術(shù)也受到過(guò)程要比層流換熱復雜得多。由于湍流換熱在實(shí)際普遍的重視?；谕牧鞅诿鎻娀乃悸?近30年來(lái)工程應用中最為廣泛,湍流換熱也明顯優(yōu)于層流換已發(fā)展了許多對流換熱強化元件并在工程中得到應熱,因而研究湍流換熱的場(chǎng)協(xié)同問(wèn)題,具有重要的用,如螺紋管、橫槽管等,但這些換熱強化元件主要理論意義和工程應用背景是經(jīng)驗性的,缺乏理論的指導2湍流條件下對流換熱的場(chǎng)協(xié)同分析文獻[1,2從二維層流邊界層能量方程出發(fā),提出對流換熱的場(chǎng)協(xié)同理論。對流換熱的場(chǎng)協(xié)同理論對于穩態(tài)無(wú)內熱源的湍流對流換熱,不計粘性認為:對流換熱可等同于有內熱源的導熱,熱源項耗散的影響,其能量方程可寫(xiě)為的大小決定了對流換熱的強度;源項的大小不僅取決于溫差、流速和流體的物性,還取決于速度場(chǎng)與pcpU VT=V.(+pcpat)]熱流場(chǎng)協(xié)同的程度。對流換熱的場(chǎng)協(xié)同理論為研究對流換熱,優(yōu)化和發(fā)展強化換熱技術(shù)提供了新的思在壁面處其湍流熱擴散率為0,根據高斯公式可收稿日期:2002-12-11;修訂日期:200306-01基金項目:國家重大基礎研究發(fā)展規劃資助項目(NoG20000263)作者簡(jiǎn)介:孟繼安(1964-),男,湖北紅安人,博士生,主要從事傳熱H中國煤化工CNMHG4期孟繼安等:管內對流換熱的場(chǎng)協(xié)同分析及換熱強化得該管壁面S導入或導出的總熱量先要分析同類(lèi)物理問(wèn)題的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)的特點(diǎn)及其協(xié)同程度qs=少-d3=1(x+pa)nd3=以充分發(fā)展等壁溫圓形截面管內對流換熱為例,分析其溫度場(chǎng)的特點(diǎn)(見(jiàn)圖1,介質(zhì)為20°C的(pcpU·VT)dv(2)水,Tm-Tm=50°C)。從圖1中可以看出,無(wú)論是層流還是湍流,管內對流換熱的溫度降主要發(fā)生引入特征尺度D和無(wú)因次變量在徑向,其徑向溫度梯度遠大于其軸向溫度梯度,一般徑向溫度梯度比軸向溫度梯度大2~3個(gè)數量級(3)甚至更多。但對湍流換熱來(lái)說(shuō),溫度降主要發(fā)生在UoVT(Tw-Tm)/D管壁面附近則平均 Nusselt數可表示為:Nu=0.25RePrB(U VT)dv (4)10→◆R=×10,dm/Re5×10,.d/d若體積分區域在流動(dòng)方向為等截面,可對垂直于主流方向某截面A進(jìn)行面積分,并引入下列特征尺度D和無(wú)因次變量D= PAo(Tw-Tm)/D0.002040.60.81.0則可得其截面平均 Nusselt數圖1圓管內溫度梯度分布Nu=0.25RePrB(U VT)dA對于管內層流換熱,溫度降在整個(gè)管內沿徑向發(fā)生,因此只要在管內徑向產(chǎn)生較小的速度(主流速數值驗算結果表明,用壁面熱流計算的 Nusselt數度的1%甚至1‰),即可對換熱產(chǎn)生顯著(zhù)的影響與用速度和溫度梯度點(diǎn)積的面積分或體積分計算的由旋轉或縮放等途徑產(chǎn)生的二次流即可明顯強化管Nusselt數基本一致內層流換熱。對于管內湍流換熱,其溫度降主要發(fā)從式(4)和(6)中可以看出,對流換熱量與時(shí)均生在壁面附近的徑向,穿越等溫線(xiàn)的二次流特別是流速、時(shí)均溫度梯度、Re和Pr有關(guān)。不僅如此,其溫度梯度較大的壁面二次流,同樣能起到強化換熱速度矢量與溫度梯度(或者說(shuō)速度矢量與熱流矢量)的作用,因而強化換熱的方法除采用常規的壁面擾的夾角對對流換熱起著(zhù)重要的作用。實(shí)際上,上述流強化和擴展表面強化方法外,場(chǎng)強化也同樣適合各種因素并不是獨立的,對流換熱是諸因素共同作于湍流換熱,所不同的只是二次流對湍流換熱的影用的結果。欲使換熱強化,需要各參數間的協(xié)同.響主要集中在壁面附近式(4)和(6)還表明,和層流換熱一樣,場(chǎng)協(xié)同管內軸截面的二次流主要有旋轉流、徑向流理論同樣適合于湍流換熱的強化,其換熱強化均可渦流等形式。旋轉二次流(垂直于主流方向的流動(dòng)以由速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)協(xié)同程度的改善而獲得因此,除旋轉流動(dòng)為主)的實(shí)現形式有扭曲帶、螺旋槽管采用常規的壁面突起擾流強化和擴展表面強化外,和橢圓扭曲管等.徑向二次流(垂直于主流方向可通過(guò)改善速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)的協(xié)同程度來(lái)實(shí)現湍流的流動(dòng)以徑向流動(dòng)為主)的實(shí)現形式有波紋/波節換熱的強化,這為開(kāi)發(fā)新型湍流換熱強化技術(shù)提供管、縮放管和橫槽管等.渦旋二次流(垂直于主流方了新的途徑向的流動(dòng)以渦流流動(dòng)為主)的實(shí)現形式有局部壓扁3管內對流換熱的特點(diǎn)及強化管和交叉橢圓管等。這些流動(dòng)形式都能起到一定的強化換熱作用。需要特別指出的是,渦流流動(dòng)方式根據Nust數與局域時(shí)均流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的關(guān)可使流體在溫度梯度較大的徑向產(chǎn)生強烈的混合,系式(4)和(6),湍流換熱強化的方法之一是在溫度促使中國煤化工面處的溫度梯度降較大的方向產(chǎn)生流動(dòng)。研究對流換熱的強化,首增大YHCNMHG強化654理學(xué)報24卷4交叉橢圓換熱管性能分析加過(guò)大的不足選取波紋管、管內插扭曲帶和交叉橢圓管進(jìn)根據上述對流換熱場(chǎng)協(xié)同理論和管內換熱強化行對比分析。通過(guò)數值計算和參考部分換熱管實(shí)方法分析,我們研發(fā)了的一種新型強化傳熱元件一驗關(guān)聯(lián)式,可得出其同功耗下?lián)Q熱強化指標交叉橢圓管.圖2為交叉橢圓管結構示意圖.它(Nu/Nvo)/(f/6)1/3和阻力系數比f(wàn)/見(jiàn)圖4)通過(guò)擠一擴形過(guò)渡段形成強烈的二次流并在橢圓直從圖4可以看出,交叉橢圓管的綜合強化傳熱性能段發(fā)展為4渦或8渦流型。交叉橢圓管管內層流換明顯強于其它幾種換熱管,其強化換熱效果顯著(zhù)而熱時(shí),截面二次流是換熱強化的主要因素。而交叉流阻增加較小橢圓管管內湍流和過(guò)渡區換熱時(shí),壁面二次流對換熱強化起主要作用。交叉橢圓管軸向截面積變化較小,因而在強化換熱的同時(shí),其流阻較圓形截面管增加較少c。。管200000060000.0200004000060000圖4性能比較圖圖2交叉橢圓管示意圖5結論圖3給出了數值計算的的層流和湍流對流換熱(1)從能量方程的一般形式導出 Nusselt數與局條件下交叉橢圓管截面流場(chǎng)和溫度場(chǎng)(介質(zhì)為20°C域時(shí)均參數UVT的關(guān)系式,并進(jìn)行了數值驗證,的水,T-Tm=50°C).數值計算分析表明其管截面將對流換熱的場(chǎng)協(xié)同理論擴展至湍流換熱內的最大流速分量約為軸向平均流速U0的40%過(guò)(2)分析了管內對流換熱特點(diǎn),得出改善場(chǎng)協(xié)同渡段處),二次流的平均流速(U2+U)1/2a為度不僅能強化層流換熱,同樣也可強化湍流換熱主流平均流速U的2~4%.管截面溫度場(chǎng)在二次流(3)根據對流換熱的場(chǎng)協(xié)同理論和上述湍流換的作用下發(fā)生了明顯的改變,壁面處平均溫度梯度熱場(chǎng)強化方法,研發(fā)出了一種新型強化換熱管,并顯著(zhù)增大。實(shí)驗和數值計算均表明,以水為換熱媒與幾種典型強化傳熱元件作對比分析。該新型換熱介,交叉橢圓管湍流換熱時(shí)Nu可提高30%~50%,管的綜合強化傳熱性能優(yōu)于其它管型,既適合于層而沿程阻力只增加50%~80%,當交叉橢圓管用于層流換熱強化也適合于湍流換熱強化,且附加流阻較流換熱時(shí),其N(xiāo)u與二次流型(8渦或4渦)和Pr數小密切相關(guān),一般Nu可提高30%~200%,沿程阻力增加30%~80%.由于管截面的二次渦流的作用,交又橢圓管不僅可實(shí)現層流換熱強化,而且還可強化參考文獻湍流換熱,而流阻增加較少.利用場(chǎng)強化的方法,避1] Guo Z Y. Mechanism and Control of Convective Heat免了壁面擾流強化和擴展表面強化所帶來(lái)的阻力增Transfer-Coordination of Velocity and Heat Flow Fields.Chinese Science Bulletin, 2001, 46(7): 596-5992 GuoZY, LiDY, Wang BX. A Novel Concept for Convec-tive Heat Transfer Enhancement. International Journalof Heat And Mass Transfer, 1998, 41(14): 2221-2225[3]R M Manglik, A E bergues. Heat Transfer and PressureDrop Correlations for Twisted-tape Inserts in IsothermalTubes. Transactions of ASME, 1993, 115: 881-896]孟繼安,螺旋扭曲橢形截面換熱管中國實(shí)用新型專(zhuān)利1997,ZL972216596aRe=20000(b)Re=1000同]孟繼安.交叉橢形截面換熱管.中國發(fā)明專(zhuān)利,200圖3交叉橢圓管內的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)ZL001361228中國煤化工CNMHG