蒸发式冷凝器异型管束中流体流场数值模拟及实验研究

来源：化拓教育网

DMACHINERY　　　　　　　　　　　Vol136,No108,20088　　　　　　　　　　　　　　FLUI

文章编号:　1005—0329(2008)08—0008—04

张景卫,蒋　翔,吴治将,李元希,朱冬生

(华南理工大学,广东广州　5100)

摘　要:　运用Fluent软件对蒸发式冷凝器3种异型管———椭圆管、扭曲管及弹形管管束中强制对流空气进行了数值模拟,模拟的数据经Tecplot.10处理后直观地表征了3种异型管束中空气的速度场、压力场、温度场,并在此基础上对此3种异型管进行了实验研究。模拟分析得出的结论与实验研究的结果吻合甚好,表明了流线形设计的弹形管与椭圆管、扭曲管相比,不仅传热效率高,而且流动阻力小。关键词:　冷凝器;强化传热;异型管;数值模拟中图分类号:　TB61　　　　文献标识码:　A

NumericalSimulationandExperimentalStudyonFlowFieldofFluidintheSpecial

TubeBundleofEvaporativeCondenser

ZHANGJing2wei,JIANGXiang,WUZhi2jiang,LIYuan2xi,ZHUDong2sheng(SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou5100,China)

Abstract:　Anumericalsimulationoftheforcedconvectionairinthetubebundleoftheellipticaltube,thetwisttubeandbullettubewaspresented,bymeansoftheFLUENTsoftware.ThedataofsimulationwasprocessedbyTecplot.10,whichprovideadi2rectillustrationofthevelocity、pressureandtemperaturefieldsoftheflowingairinthetubebundlesofthethreespecialtubes.Theexperimentswerestudiedonthethreespecialtubesonthebaseofwhich.Theanalyzedconclusionsbysimulationagreedwellwiththeexperimentalresults.Itwasshownthattheadvantagesofbullettubedesignedwithstreamlineovertheellipticaltubeandthetwisttubenotonlyinheattransferefficiency,butalsoflowingresistance.

Keywords:　condenser;heattransferenhancement;specialtube;numericalsimulation

1　前言

随着人们对蒸发冷却技术研究的不断深入,对蒸发式冷凝器的研究日益集中在高效传热管的

研制、改进及管表面的处理方面。目前,研究蒸发式冷凝器用的异型管主要有椭圆管、扭曲管、弹形管等。对蒸发式冷凝器中异型管的研究大多采用理论分析、实验研究的方法,而通过数值模拟与实验相结合的方法研究较少。本文运用FLUENT软件,在对物理模型进行合理简化处理的基础上,分别对椭圆管、扭曲管、弹形管三种管型管束中强制对流空气的流场进行了模拟,模拟的数据经Tecplot.10软件处理后直观表征了管束中强制对流

蒸发式冷凝器是一种高效节能节水的冷换设

[1、2]

备,广泛应用于制冷、石油、化工等行业。国外对蒸发式冷凝器的研究较早,所取得的理论水平比较高,关于蒸发式冷凝器的研究体系已经建立。我国在蒸发冷却技术领域起步较晚,随着我国能源的不断实施,蒸发式冷凝器高效节能节水的优点日渐被人们所认知,人们对其进行理论分析与实验研究,对其强化传热的研究已经成为国

[3～8]

内外许多学者及单位关注的焦点。

收稿日期:　2008—01—10　修稿日期:　2008—03—17基金项目:　广东省自然科学基金项目(04015950)

2008年第36卷第08期　　　　　　　　　　流　体　机　械　　　　　　　　　9

[9、10]

空气的速度场、压力场、温度场的分布,并在数值模拟分析研究的基础上对3种管型进行了实验研究,由此得出的相关结论为异型管在蒸发式冷凝器中的应用及理论研究提供了重要依据。2　模型

究对象。根据对流换热的场协同原理,管子

的排列方式、管间距、扭矩、长轴与短轴之比等对

[11～13]

传热性能均有影响,为了使模拟的结果具有可比性,本文对上述影响因素进行了仔细的考虑,模型中3种异型管均采用间隔式叉排,异型管的原型管均为直径25mm的圆管,材料为普通碳钢。3种异型管的三维数值计算模型如图1所示。

为了便于研究,本文选取了部分管束作为研

　　　　　　　(a)　椭圆管　　　　　　　　　(b)　扭曲管　　　　　　　　　　　　(c)　弹形管

图1　3种异型管数值计算模型　　模型网格的划分采用TGrid网格技术生成,网格质量(intervalsize)选取了0.2。模拟求解时选用k-ε湍流模型,采用压力—速度耦合的SIMPLE算法,一阶迎风格式,低松弛,收敛判断条件为所有物理量的误差小于103　数值模拟及分析

-6[14]

扭曲管形成的涡流最明显,其次是椭圆管,弹形管

最弱。从图上还可以看出,扭曲管管束中空气流场扰动性最强,椭圆管次之,弹形管最弱。从管的轴向上看,扭曲管的管外缘是螺旋线点接触,管束之间形成连续的不规则的螺旋形通道,空气流在其中流动时受到离心力的作用而不断地改变速度和方向,从而加强了空气流的径向混合,所以,扭曲管管束中空气流场扰动性最强;而椭圆管迎风面较小,管束中的空气流径向混合相对较少,所以其管束中空气流场扰动性也相对较弱;弹形管在结构设计上采用流线形设计,空气流难以在局部形成过大涡流,使得空气流分布比较均匀,管束中空气流场扰动性较之扭曲管、椭圆管更弱。

。

图2为进口空气速度为3m/s,温度为303K,出口为自由压力出口,管壁温度为310K时,在同

一纵截面处3种异型管管束中强制对流空气的流场矢量分布如图2所示。

由图2可以看出,3种异型管背风面都出现了气流的剥离现象,形成大小强度不等的涡流。

(a)　椭圆管管束　　　　　　　　(b)　扭曲管管束　　　　　　　　(c)　弹形管管束

图2　3种异形管管束中强制对流空气流速矢量分布

　　图3所示为在同一纵截面处3种异型管管束中强制对流空气的压力场分布。

DMACHINERY　　　　　　　　　　　Vol136,No108,200810　　　　　　　　　　　　　　FLUI

(a)　椭圆管管束　　　　　　　(b)　扭曲管管束　　　　　　　(c)　弹形管管束

图3　3种异型管束中强制对流空气压力等值线分布

　　由图3可以看出,扭曲管的压降最大,其次是

椭圆管,弹形管最小。在图2的分析中得知扭曲管管束中空气流场扰动性最强,形成的涡流最多,压降自然就最大;椭圆管管束中空气流场扰动性相对较弱,形成的涡流较少,压降相对较小;而弹形管采用的是流线形设计,据流体动力学原理,流

线形表面的流动阻力最小,气流分布均匀,难以在局部形成过大涡流,由图3可以看出弹形管管束中空气的流动阻力均小于扭曲管与椭圆管。

图4为同一纵截面处3种异型管管束中强制对流空气的温度场分布。

(a)　椭圆管管束　　　　　　　(b)　扭曲管管束　　　　　　　(c)　弹形管管束

图4　3种异型管束中强制对流空气温度等值线分布

　　由图4可以看出,3种管型截面上的温度分

布都是不均匀的,在管壁处温度高,流体中心处温度低,从管壁到流体中心明显存在温度梯度,从整个流场分析,扭曲管管束中空气扰动性最强,空气的流场分布也最不均匀,使得空气场中温度的分布也最不均匀;椭圆管次之;弹形管管束中空气流分布最均匀,其空气场中温度的分布也最均匀。4　实验研究

14.7%、比椭圆管减小5.4%,表明采用流线形设

计的弹形管,其空气流动阻力比现有的椭圆管、扭

曲管都小,与数值模拟的结果比较吻合。

在蒸发式冷凝器中分别对3种异型管进行实验研究。图5为3种异型管管束中压降随风速的变化情况。如图5在风速u为1.6～3.8m/s的范围内,空气流动压降ΔP随u的增大而增大,二者呈线性关系,椭圆管压力降增加3.1倍,扭曲管压降增加3.8倍,弹形管压力降比扭曲管减小

图5　3种异型管盘管压降随风速的变化

图6为3种异型管总传热系数随冷却水喷淋密度的变化情况。

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由图6可知,喷淋密度Γ在0.032～0.075kg/(m・s)的范围内,总传热系数K均随喷淋密度增大而升高,椭圆管总传热系数从365.4

上升到422.8W/(m・K),升高15.7%;扭曲管总传热系数从415.9上升到484.8W/(m・K),升高16.6%;弹形管总传热系数从436.7上升到

522.2W/(m・K),升高19.6%,其总传热系数平均值比扭曲管高6.2%,比椭圆管高19.8%。较之扭曲管、椭圆管而言,弹形管管顶端面曲率较大,水很容易附着并形成水膜,而且盘管的流线形设计使空气很容易包裹住水膜而形成管表面双面湿润,增加了水膜覆盖率,大大增大了传热效率。5　结语

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采用FLUENT软件对椭圆管、扭曲管、弹形管三种异型管管束中空气的速度场、压力场及温度场进行了模拟。较之扭曲管、椭圆管而言,采用流线形设计的弹形管管束中空气流形成的涡流最少最弱,流场分布也最均匀,从而也使得其压力场与温度场也比较均匀,这与实验研究的结果吻合甚好;实验研究的结果显示,弹形管管束中空气流动阻力比现有的椭圆管、扭曲管都小,比扭曲管减小14.7%、比椭圆管减小5.4%,其总传热系数平均

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值比扭曲管高6.2%,比椭圆管高19.8%。因此,采用流线形设计的弹形管在压降及强化传热方面均比现有的椭圆管、扭曲管有很大的优势。

参考文献

作者简介:张景卫(19812),男,硕士,主要从事热能工程及

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数值模拟的研究,通讯地址:5100广东广州市华南理工大学化工与能源学院传热强化与过程节能教育部重点实验室。

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