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缩放管管外流动沸腾换热的数值模拟与场协同分析
缩放管管外流动沸腾换热的数值模拟与场协同分析
第25卷,总第l44期
2007年7月,第4期
《节能技术》
ENERGYCONSERVATIONTECHNO10GY
Vo1.25,Sum.No.144
Ju1.2007,No.4
缩放管管外流动沸腾换热的数值模拟与场协同分析
方振鑫.罗小平.熊少武.贾玉梅
(I.华南理工大学工业装备与控制学院,广东广州510640;2.重庆工商大学油处理研究所,重庆400067)
摘要:
本文利用FLUENT软件对制冷剂R134a在光管和缩放管水平管外沸腾传热进行了三
维数值模拟,得到了其饱和泡状沸腾过程中体积含汽率的分布规律,并比较了它们的换热系数,结
果表明:
缩放管外侧能够很好地强化沸腾传热.此外,通过改变边界条件分析了质量流量,热流密
度的变化对缩放管管外沸腾换热系数的影响.最后应用场协同理论,从局部换热角度分析其强化
机理.研究表明:
缩放管水平管外沸腾换热得到强化的原因是其凹槽前后的速度场与温度梯度场
之间夹角更小.协同程度更好.
关键词:
缩放管;沸腾换热;数值模拟;场协同
中图分类号:
TK172文献标识码:
A文章编号:
1002—6339(2007)04—0296—04
NumericalSimulation0JfItheout—tubeFlowBoilingHeatTransfer
oftheConverging——divergingtubeandFieldSynergyAnalysis
FANGZhen—xin,LUOXiao—pingI,XIONGShao—WU,JIAYu—mei2
(1.CollegeofIndustrialEquipmentandControlEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,
Guangzhou510640,China;
2.InstituteofOilTreatment,ChongqingTechnologyandBusinessUniversity,Chongqing400067,China)
Abstract:
BoilingheattransferofrefrigerantR134awhichflowedoutsidethehorizontallighttubeandthecon—
verging—divergingtubewasnumericallysimulatedbyFLUENTsoftwareinthisarticle.Regularitiesofthevol—
umetricsteamqualitydistributionduringtheprocessofsaturationboilingwereobtained,theirheattransferCO—
efficientswerecompared,andresultsindicatethattheoutsideoftheconverging—divergingtubecanintensify
boilingheattransfer.Inaddition,theimpactofdifferentmassflowandheatfluxdensitytotheheattransfer
coefficientisanalyzedbychangingitsbo~darycondition.Finally,thestrengtheningmechanismfromthean-
eofpartialheattransferisanalyzedbyfieldsynergyprinciple.Resultsshowthatthecauseofstrengthening
heattransferistheanglebetweenthevelocityfieldandthethermalfield,thesmallertheangle,thebetterthe
synergydegree.
Keywords:
converging——divergingtube;boilingheattransfer;numericalsimulation;fieldsynergyprinciple
收稿日期2007—04—30修订稿日期2007—07—06
基金项目:
国家自然基金项目(20006004,2067~39);广东省自然
科学基金项目(000412).
作者简介:
方振鑫(1983~),男,在读硕士研究生.
?
296?
0前言
换热器是化工,石油,动力,冶金,能源等工程领
域中普遍使用的热力设备,而传热管是换热器中的
核心构件,其结构不但影响管程的传热系数.而且也
会影响壳程的传热系数.缩放管是管内外凹凸肋面
对称的异形管,是一种性能较优的强化传热元件,对
管程和壳程流体均具有较强的传热强化作用,传热
效果好,流阻低,不易结垢,在硫酸,石化等工业得到
了较广泛的应用【1.2j.近年来,国内外对缩放通道
中流体换热进行数值模拟研究很多【3.4],但大多都
是关于其管内强化传热的.
制冷剂R134a是目前国际公认的和被广泛推荐
作为CFC一12替代物的物质.R134a的特点是对大
气臭氧层的破坏能力系数(ODP)为零,地球温室效
应(GWP)值为0.26,难燃,无毒,元腐蚀作用,是最具
实用性的替代制冷剂工质,并且已经投入商业应用.
由此可见,研究制冷剂R134a在缩放管管外沸腾传
热对新制冷系统的设计开发和可靠运行具有重要的
理论意义和工程应用价值.
水平流动沸腾换热的流型变化过程与垂直流动
流型大致相同,但是水平管内由于受重力作用,导致
气相分布不对称.在环状流区,顶部会出现逐渐扩
大的干涸区,这将影响其换热性能.若沸腾发生在
水平管道外,将降低出现干涸区的机率,有利于沸腾
换热系数的提高.本文应用FLUENT软件对制冷剂
R134a在水平光管和缩放管管外饱和泡状沸腾进行
了三维数值模拟,分析了沸腾过程中体积含汽率的
分布规律,比较了制冷剂R134a在水平光管和缩放
管管外饱和泡状沸腾的换热系数,分析了质量流量,
热流密度的变化对其沸腾换热系数的影响,并应用
场协同理论分析了其强化原理.
1模拟计算过程
1.1模型结构
图1为缩放管轴侧参数图,本文选择在缩放管
的外侧进行沸腾模拟,模拟的范围是一个环行区域,
具有轴对称性,所以计算区域可简化成一半,以减少
计算量.
j,,
图1缩放管管外沸腾模拟结构图
1.2模型网格划分
模拟计算时,热量是从内壁面传人,所以内壁面
附近的区域是研究重点【5],须细划网格.但是缩放
管结构不整齐,在划分网格时,很难控制其边界层处
的比例变化.此问题可用FLUENT网格自适应功能
来解决.先用P建立立体模型,再对其对称面进
行网格划分,采用结构化网格,然后划分体网格,将
划分好的网格导人到FLUENT进行初步计算,并在
此计算的结果上以温度场为基准进行网格自适应,
从而达到细化内壁面处网格的目的.
1.3沸腾换热UDF程序
由于在Fluent软件中没有计算沸腾的模型,沸
腾中相的传递需要用户自定义,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
液相向气相转移的质量,从气相向液相转移的质量
和因相变而传递的潜热三个部分.
2模拟结果与分析
流动边界条件:
人口速度tJ:
0.3m/s,液体入
El温度T=283.15K,出El压力P=0.416880MPa,
饱和温度和=283.15K,内壁面热流密度等于
10kW/m2,外壁面绝热.R134a汽液热力性质文献
[6]中有详细记录,在此就不作介绍.
2.1截面含汽率分布
图2为光管出口截面上的含汽率分布图,含汽
率从下到上由零逐渐增大且对称,最大含汽率为
60.9%,分布不均匀,这是由于重力作用导致.图3
为缩放管出口截面上的含汽率分布图,含汽率从下
到上逐渐增加,最大含汽率为40.7%,对比可知,缩
放管含汽率分布的更均匀,这是由于其结构上存在
凹槽,使得流体流过时产生一个径向速度,破坏了其
速度边界层,使生成的蒸汽更快的流向主流区.而其
它参数(如速度,温度,压力等)的分布和含汽率分
布相似,由于篇幅的关系在此就不介绍.
c讲nouv0l岫.疳0I'(时)FLul三NT
图2光管出口截面上含汽率分布图
图4为光管对称面上体积含汽率的分布图.刚
开始时壁面温度上升,但是还没有达到沸腾所需的
过热度,因此对称面的含汽率都为零.随着壁面温度
的升高,达到沸腾所需要的过热度,开始产生气泡,
沿着流动方向气泡逐渐增加,含汽率增大,但由于重
力作用,气泡分布在环形空间的上部.当壁面过热度
?
297?
梯度的夹角口在控制对流换热的强度时起着很重要
的作用.当它们的夹角小于9(y.时,越小则对流
换热系数越大,当=0o时,可以达到最大值.在湍
流换热,三维换热和沸腾换热中,场协同原理同样适
用.两相流体的基本方程有两种主要的模型l8J,一种
是均相模型,根据经验,可把两相介质看成均匀介
质,介质的参数取两相平均参数,然后再根据单相均
匀介质建立两相流基本方程;另一种是分相模型,与
均相模型不同的是可把分开两种单相流动(气相和
液相),介质参数分别取各自的介质参数.由前面两
种模型的定义可知,场协同原理同样适用于沸腾换
热中.
3.2局部沸腾换热系数沿程变化
从场协同原理可知,传热系数与速度场和温度
场之间有很大的关系,为了方便结果对比,本文采用
局部分析的方法,其计算流程如下:
先模拟一段较长
光管管外沸腾换热,然后把他的出口速度,温度等写
出到profile文件,再模拟缩放管和光管的--+段结
构(长度取0.O1m),把较长光管的出口边界条件作
为这些小段的人口边界条件,这样缩放管和光管都
有相同且稳定的人口边界条件.通过模拟,得出局
部沿程沸腾换热系数的变化规律以及与速度场与温
度场的协同的关系.为了方便结果的对比,本文只
显示管外沸腾的上部分区域.
从图8可以看出,光管的沸腾换热系数沿程变
化很小,基本处于水平.缩放管的沸腾换热系数在
前面的水平小段的沸腾换热系数与光管重合,在流
体刚好处于凹槽的开始段,沸腾换热系数不断上升
并有一个峰值,这个峰值比较小,之后随着凹槽的加
深,沸腾换热系数逐渐减少,并有所反复,之后在凹
槽最低点时达到一个峰值,这一点换热系数最小,当
凹槽的深度逐渐升高时,沸腾换热系数又逐渐增加,
在凹槽的结束处,沸腾换热系数又达到一个峰值,这
一
点的沸腾换热系数最大,之后沸腾换热系数开始
不断减少,有与光管接近的趋势.
3.3速度场和温度场协同分析
从图9可以看出,光管速度平行于壁面,等温线
与壁面近似平行,夹角很小,速度矢量与温度梯度矢
量的夹角接近90.,速度场与温度场的协同程度不是
很好.其温度梯度场和速度场在整个流动过程中变
化不大,所以其换热系数几乎不变.对于缩放管从
图l0可知,在凹槽的开始,流体的温度梯度与速度
矢量的夹角相对于光管的时候要小,因此在该位置,
沸腾换热系数增大,出现第一个峰值.此后边界层
发生分离,流体产生回流,壁面附近的流体的流速变
小,速度与温度梯度的夹角又接近90.,并且等温线
比较稀疏,温度梯度比较小,因此沸腾换热系数迅速
下降,在凹槽最低点时沸腾换热系数最小.通过凹
槽最低点后,等温线逐渐密集,沸腾换热系数也慢慢
回升.在凹槽结束的位置,等温线最密集,温度梯度
最大,并且此时速度场与温度梯度场的夹角也最小,
并且在该处的速度的大小也是最大的,因此在凹槽
的结束处沸腾换热系数出现第二个峰值,且其值最
大.
4500
4000
3500
3000
2500
≥
2000
1500
1000
一
l
辅人V
管
0000000200O400060.0080.Ol00.0120014
—._\/—一
图8缩放管与光管管外沸腾局部沸腾换热系数
沿程变化规律
二=--_===—=翌.二=—!
:
-_三6
三=三:
==三兰=三三妾三三;三兰坚三曩蚤;=;=====害=
图9光管速度场与温度场的分布
图10缩放管速度场与温度场的分布
从上面的分析可以看出,局部沸腾换热系数的
变化和速度场和温度场的分布有密切的关系.在缩
放管凹槽的前后其局部换热系数比较大,是由于在
这些区域其速度场和温度场之间夹角较小,协同程
度较好,这就是缩放管管外沸腾强化的场协同原理
解释.
(下转第355页)
?
299?
个理想的舒适的生活环境;
节省热能,节能率一般在30%以上.因为,散
热器恒温控制器能有效地杜绝高温采暖用户;对无
人的空房可以通过恒温控制器调低温度以减少能源
的浪费;可以充分利用阳光,照明设施,机械和人体
散发出的热量,减少供热系统的供热量,以达到节约
能源的目的;防止水力失调,通过恒温自控制阀,可
以使用户的供暖系统和供热管网系统的水力循环自
动调节自动平衡,防止供暖系统水力失调,克服冷热
不均的现象.
根据我国在北京,天津等地采暖示范工程的测
试结果,在散热器上安装恒温控阀一般可以节能
30%~40%以上.实践证明,采暖安装温控阀是对
房间实现有效控制的手段.现在的问题是,如何根
据我国的实际情况,更有效推广的问题.目前在供
暖设计方面,应为采用温控阀或今后采用温控阀创
造条件;在供暖产业方面,应该在吸取国外经验的基
础上,结合我国的具体条件,研制出适合我国特点的
温控阀,以适应我国采暖事业高速发展的需要.
4.3供暖收费制度亟待改革
改变供暖收费制度,实行计量收费,是供暖节能
的关键.对用户实行按热量计算供暖费用,是推动
用户合理用热的动力,供暖节能的关键.计量收费
一
般可以节能30%以上.我国按采暖建筑物面积
收费,不管用户采暖温度高低,一律按统一的价格收
费,采暖所消耗热量多少与用户无关,用户只关心房
间的温度,因此不注意房间保温,有的房间采暖温度
过高,常常打开门窗;长期闲置不用的房间照样采
暖,甚至昼夜开窗;还有的用户为了自己的需要,有
意放水.不仅浪费了大量的热能,同时也破坏了供
暖系统的水力平衡.值得注意的是,近几年来,在严
冬,昼夜"开窗采暖"的怪事,越来越多.笔者,曾调
查一个供热小区,竞有80%以上的用户昼夜"开窗
采暖".实践证明,如果没有用户自动自觉的配合,
任何的节能措施都将是无效的.
参考文献
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(上接第299页)
4结论
(1)制冷剂R134a在水平光管管外饱和泡状沸
腾过程中,沿流动方向,汽泡数量逐渐增加,体积含
汽率逐渐增大.从产生汽泡来看,内壁面处汽泡最
多,汽泡从壁面产生,逐渐脱离进入主流,但由于重
力的作用,气体大部分分布在上面.当制冷剂
R134a在缩放管水平管外沸腾时,由于缩放管凹槽
的作用,使其产生一个较大的径向速度,使得体积含
汽率分布更均匀.
(2)在相同的条件下缩放管水平管外沸腾传热
系数比光管的大,在相同的热流密度下,随着质量流
量的增加,缩放管和光管水平管外的沸腾换热系数
随之增加.当质量流量不变时,其换热系数随着热
流密度的增大而增大.
(3)用局部分析的方法发现换热系数在缩放管
凹槽前后出现两个峰值,而在凹槽中间部位的换热
系数最小,不在凹槽区域的换热系数和光管的大致
相同.从速度场和温度梯度场协同的角度分析了局
部换热系数的特征,缩放管的凹槽前后的速度场和
温度梯度之间的夹角最小,协同程度最好.
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