旋流叶片管相变传热过程数值模拟

聂永广;祝岩青;祝岩宁

【摘 要】相变传热是一种特殊的管内传热方式,采用具有内旋流结构的管子在保证相变传热效率的同时,防止相变传热引起的管壁烧干传热恶化现象是改进换热设计的重要手段.本文基于计算流体力学软件FLUENT对一种带有多段贴壁旋流片的管内两相流动过程进行了数值模拟.计算得到了管内速度分布和管道阻力情况.计算结果表明这种带有旋流片的管道在控制管阻的同时有效增强了管内传热效率.%Heat transfer with phase change is a special heat transfer model. The heat transfer efficiency can be improved by using the pipe with swirl blade, meanwhile avoid dryout in pipe. The researching of heat transfer with phase change was carried out aimed at special multistage swirl pipe using computational fluid dynamics (CFD) software FLUENT. The velocity distribution and tube resistance were achieved by numeric simulation. The simulation result showed that the pipe with multistage swirl blade can improve the heat transfer efficiency and reduce the pipe resistance. 【期刊名称】《广州化工》 【年(卷),期】2018(046)004 【总页数】2页(P118-119)

【关键词】相变传热;计算流体力学;两相流动;管道阻力 【作 者】聂永广;祝岩青;祝岩宁

【作者单位】新奥能源研究院,河北 廊坊 065000;中国石油管道局工程有限公司设计分公司,河北 廊坊 065000;中国石油昆仑燃气有限公司,河北 霸州 065700 【正文语种】中 文 【中图分类】TK172.4

相变传热指管内液体因为加热发生相变，从而使得管内由单相流动传热变为两相流动传热的过程[1]。换热管内发生相变传热时，一般是管壁处的液体先被气化产生大量的小气泡。而管中心处的液体仍然远低于相变温度，这时的管内换热效率一般高于单相换热。但随着相变的进行管壁上的气体逐渐增多会造成传热恶化，甚至烧损管壁的现象。为了在保证相变传热增强换热效率的同时避免传热恶化，保证换热管的安全运行，很多设计者提出了特殊的换热管结构，如图1所示[2]。这些换热管结构总体可以分为两大类，一是通过管壁的不规则形式增强湍流扰动来提高换；二是通过旋流使气泡脱离壁面来增强换热。但这些换热管相比光滑换热管往往管阻过大限制了其在工业上的应用[3]。本文提出了一种内置分段旋流叶片管结构，通过使用计算流体力学软件FLUENT对其分析发现，这种管结构在增加传热效率的同时有效降低了管阻。

图1 常见换热管结构Fig.1 General structure of heat exchange pipe 1 换热管结构

在使用旋转流体法增强管内沸腾传热效率时，如果可以合理控制管内不同位置的旋流强度，保持管内沸腾流动的流型，就可以在不大幅增加管阻的同时，有效提高管内沸腾传热效率和临界热流密度。旋转流体法强化沸腾传热的关键在于如何使过多的蒸汽在离心力作用下离开加热壁面，因此只需使壁面附近的流体旋转就能达到此目的。据此提出了内插旋流叶片管结构(图2)。该种换热管不同于图1(b)的纽带管，

仅在管壁处设置旋流片，并且旋流片分段放置。这样使得相变产生的气小泡在旋流片处脱离壁面进入管内中心流域，管壁处重新进入到气泡较少换热效率较高的高效相变换热状态。同时分段设置旋流片也有利于降低管阻。 图2 内插旋流叶片管结构Fig.2 The structure of swirl vane 2 模拟计算

为了对内插旋流叶片管管内沸腾流动状况进行研究，对内插旋流叶片管内沸腾流动过程进行了数值模拟。为了便于计算，对管内的几何结构进行了合理简化，一是不考虑旋流叶片的连接部件，二是假设旋流叶片壁面绝热。简化后的几何模型和计算域网格划分情况如图3所示。模拟的介质为水，边界采用速度入口和压力出口，入口速度为1 m/s，温度为363.5 K，壁面热流密度为245 kW·m-2。

图3 模拟计算采用的管结构Fig.3 The computational geometric structure and mesh

图4 不同轴向位置上液相切向速度径向分布Fig.4 Radial distribution of liquid tangential velocity under different axial position

图4所示为管内不同轴向位置的切向速度分布。z=0.75 m、0.86 m和0.97 m分别位于第2个旋流叶片的起始、中间、末尾位置；z=1.29 m、1.41 m、1.52 m分别位于第三个旋流叶片的起始、中间、末尾位置。z=1.00 m位于两个旋流叶片之间。从图4中可以看出管内的切向速度分布呈现典型的双峰分布。从z=0.75 m到z=0.97 m管内切向速度逐渐增大，说明在旋流叶片的扰动下管内的旋流强度逐渐增加。而在z=1.00 m和1.29 m处的切向速度较z=0.97 m处明显降低，这说明流体在流出旋流叶片所在区域后，在管内摩阻和流体粘度作用下旋流强度会迅速减小。而在经过第3个旋流叶片后管内旋流强度被再次加强，在旋流叶片的边缘，切向速度最高达到了0.54 m/s。这说明通过在管内不同位置安置旋流叶片可以灵活的控制管内不同位置的旋流强度。

管内插入物会导致管内阻力增加，造成能耗增加，影响其使用效果。管内流动阻力系数的计算公式[4]如下 (1)

图5为不同雷诺数下仅使用一组旋流叶片的内插旋流片管与光管管内阻力系数对比，从图5中可以看出随着Re数的增大，管内阻力系数会减小。同光管相比，内插旋流叶片管的管内阻力系数大约升高了30%。韩继广等对应用较为广泛的内插纽带管的管内流动阻力进行了大量实验研究，发现大部分内插纽带管的阻力系数是光管的3倍以上[5]。可以看出内插旋流叶片管的管内阻力要远小于内插纽带管，说明这种管结构在增强传热的同时较好的控制了管内阻力。

图5 不同雷诺数下管内流动阻力系数fFig.5 The pipe resistance coefficient under different Reynolds number 3 结 论

本文提出了一种内插旋流叶片管结构。这种管结构可以通过调节旋流叶片距离灵活控制管内局部旋流强度。数值计算表明，管内气液两相流动在经过旋流叶片的扰动后会形成蒸汽体积分数中间高边壁低的分布趋势，随着沸腾流动的进行管内截面上蒸汽体积分数分布会趋于均布。这说明通过合理的布置旋流叶片位置可以有效控制管内蒸汽体积分数分布，从而提高管内传热效率。并且模拟结果显示，内插旋流叶片管的管内阻力明显小于内插纽带管。说明这种结构在提高管内传热效率的同时，避免了因为加入内构件造成的管阻过高现象。 参考文献

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[4] 白晓宁,胡寿根.浆体管道的阻力特性及基影响因素分析[J].流体机械, 2000, 11(2):26-29.

[5] 王杨君,邓先和,洪蒙纳,等. 管内周期性自旋流强化传热的结构优化[J].化工学报, 2007,57(11): 2554-2561.