管内对流换热的场协同分析及换热强化

第24卷第4期工程热物理学报VoL 24. No42003年7月JOURNAL OF ENGINEERING THERMOPHYSICSJul,2003管内对流换热的场协同分析及换热强化孟继安陈泽敬李志信过增元(清华大学工程力学系,北京100084)擴要导出管内湍流换热Nv与局域时均参数的关系式,将对流换热的场协同理论扩展至湍流换热。分析了管内对换热的特点,并根据场协同理论提出强化湍流换热的方法,发展了一种新型强化换热管一交叉椭园管,既适合于层流换热强化也适合于湍流换热强化,其强化传热效果显著而流阻较小关键词对流换热强化;场协同理论;交叉椭圆中图分类号:TK124文献标识码:A文章编号: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引言对流换热大量存在于石油、化工、动力、制药等湍流是一种复杂的三维流动,其瞬时物理场(速领域,而且常常还起着关键作用.湍流换热在实际度、温度等)是时间的随机函数,因而研究湍流换热工程应用中最为普遍,因而其换热强化技术也受到过程要比层流换热复杂得多。由于湍流换热在实际普遍的重视。基于湍流壁面强化的思路,近30年来工程应用中最为广泛,湍流换热也明显优于层流换已发展了许多对流换热强化元件并在工程中得到应热,因而研究湍流换热的场协同问题,具有重要的用,如螺纹管、横槽管等,但这些换热强化元件主要理论意义和工程应用背景是经验性的,缺乏理论的指导2湍流条件下对流换热的场协同分析文献[1,2从二维层流边界层能量方程出发,提出对流换热的场协同理论。对流换热的场协同理论对于稳态无内热源的湍流对流换热,不计粘性认为:对流换热可等同于有内热源的导热,热源项耗散的影响,其能量方程可写为的大小决定了对流换热的强度;源项的大小不仅取决于温差、流速和流体的物性,还取决于速度场与pcpU VT=V.(+pcpat)]热流场协同的程度。对流换热的场协同理论为研究对流换热,优化和发展强化换热技术提供了新的思在壁面处其湍流热扩散率为0,根据高斯公式可收稿日期:2002-12-11;修订日期:200306-01基金项目:国家重大基础研究发展规划资助项目(NoG20000263)作者简介:孟继安(1964-),男,湖北红安人,博士生,主要从事传热H中国煤化工CNMHG4期孟继安等:管内对流换热的场协同分析及换热强化得该管壁面S导入或导出的总热量先要分析同类物理问题的温度场和速度场的特点及其协同程度qs=少-d3=1(x+pa)nd3=以充分发展等壁温圆形截面管内对流换热为例,分析其温度场的特点(见图1,介质为20°C的(pcpU·VT)dv(2)水,Tm-Tm=50°C)。从图1中可以看出,无论是层流还是湍流,管内对流换热的温度降主要发生引入特征尺度D和无因次变量在径向,其径向温度梯度远大于其轴向温度梯度,一般径向温度梯度比轴向温度梯度大2~3个数量级(3)甚至更多。但对湍流换热来说,温度降主要发生在UoVT(Tw-Tm)/D管壁面附近则平均 Nusselt数可表示为:Nu=0.25RePrB(U VT)dv (4)10→◆R=×10,dm/Re5×10,.d/d若体积分区域在流动方向为等截面,可对垂直于主流方向某截面A进行面积分,并引入下列特征尺度D和无因次变量D= PAo(Tw-Tm)/D0.002040.60.81.0则可得其截面平均 Nusselt数图1圆管内温度梯度分布Nu=0.25RePrB(U VT)dA对于管内层流换热,温度降在整个管内沿径向发生,因此只要在管内径向产生较小的速度(主流速数值验算结果表明,用壁面热流计算的 Nusselt数度的1%甚至1‰),即可对换热产生显著的影响与用速度和温度梯度点积的面积分或体积分计算的由旋转或缩放等途径产生的二次流即可明显强化管Nusselt数基本一致内层流换热。对于管内湍流换热,其温度降主要发从式(4)和(6)中可以看出,对流换热量与时均生在壁面附近的径向,穿越等温线的二次流特别是流速、时均温度梯度、Re和Pr有关。不仅如此,其温度梯度较大的壁面二次流,同样能起到强化换热速度矢量与温度梯度(或者说速度矢量与热流矢量)的作用,因而强化换热的方法除采用常规的壁面扰的夹角对对流换热起着重要的作用。实际上,上述流强化和扩展表面强化方法外,场强化也同样适合各种因素并不是独立的,对流换热是诸因素共同作于湍流换热,所不同的只是二次流对湍流换热的影用的结果。欲使换热强化,需要各参数间的协同.响主要集中在壁面附近式(4)和(6)还表明,和层流换热一样,场协同管内轴截面的二次流主要有旋转流、径向流理论同样适合于湍流换热的强化,其换热强化均可涡流等形式。旋转二次流(垂直于主流方向的流动以由速度场和温度场协同程度的改善而获得因此,除旋转流动为主)的实现形式有扭曲带、螺旋槽管采用常规的壁面突起扰流强化和扩展表面强化外,和椭圆扭曲管等.径向二次流(垂直于主流方向可通过改善速度场和温度场的协同程度来实现湍流的流动以径向流动为主)的实现形式有波纹/波节换热的强化,这为开发新型湍流换热强化技术提供管、缩放管和横槽管等.涡旋二次流(垂直于主流方了新的途径向的流动以涡流流动为主)的实现形式有局部压扁3管内对流换热的特点及强化管和交叉椭圆管等。这些流动形式都能起到一定的强化换热作用。需要特别指出的是,涡流流动方式根据Nust数与局域时均流场和温度场的关可使流体在温度梯度较大的径向产生强烈的混合,系式(4)和(6),湍流换热强化的方法之一是在温度促使中国煤化工面处的温度梯度降较大的方向产生流动。研究对流换热的强化,首增大YHCNMHG强化654理学报24卷4交叉椭圆换热管性能分析加过大的不足选取波纹管、管内插扭曲带和交叉椭圆管进根据上述对流换热场协同理论和管内换热强化行对比分析。通过数值计算和参考部分换热管实方法分析,我们研发了的一种新型强化传热元件一验关联式,可得出其同功耗下换热强化指标交叉椭圆管.图2为交叉椭圆管结构示意图.它(Nu/Nvo)/(f/6)1/3和阻力系数比f/见图4)通过挤一扩形过渡段形成强烈的二次流并在椭圆直从图4可以看出,交叉椭圆管的综合强化传热性能段发展为4涡或8涡流型。交叉椭圆管管内层流换明显强于其它几种换热管,其强化换热效果显著而热时,截面二次流是换热强化的主要因素。而交叉流阻增加较小椭圆管管内湍流和过渡区换热时,壁面二次流对换热强化起主要作用。交叉椭圆管轴向截面积变化较小,因而在强化换热的同时,其流阻较圆形截面管增加较少c。。管200000060000.0200004000060000图4性能比较图图2交叉椭圆管示意图5结论图3给出了数值计算的的层流和湍流对流换热(1)从能量方程的一般形式导出 Nusselt数与局条件下交叉椭圆管截面流场和温度场(介质为20°C域时均参数UVT的关系式,并进行了数值验证,的水,T-Tm=50°C).数值计算分析表明其管截面将对流换热的场协同理论扩展至湍流换热内的最大流速分量约为轴向平均流速U0的40%过(2)分析了管内对流换热特点,得出改善场协同渡段处),二次流的平均流速(U2+U)1/2a为度不仅能强化层流换热,同样也可强化湍流换热主流平均流速U的2~4%.管截面温度场在二次流(3)根据对流换热的场协同理论和上述湍流换的作用下发生了明显的改变,壁面处平均温度梯度热场强化方法,研发出了一种新型强化换热管,并显著增大。实验和数值计算均表明,以水为换热媒与几种典型强化传热元件作对比分析。该新型换热介,交叉椭圆管湍流换热时Nu可提高30%~50%,管的综合强化传热性能优于其它管型,既适合于层而沿程阻力只增加50%~80%,当交叉椭圆管用于层流换热强化也适合于湍流换热强化,且附加流阻较流换热时,其Nu与二次流型(8涡或4涡)和Pr数小密切相关,一般Nu可提高30%~200%,沿程阻力增加30%~80%.由于管截面的二次涡流的作用,交又椭圆管不仅可实现层流换热强化,而且还可强化参考文献湍流换热,而流阻增加较少.利用场强化的方法,避1] Guo Z Y. Mechanism and Control of Convective Heat免了壁面扰流强化和扩展表面强化所带来的阻力增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]孟继安,螺旋扭曲椭形截面换热管中国实用新型专利1997,ZL972216596aRe=20000(b)Re=1000同]孟继安.交叉椭形截面换热管.中国发明专利,200图3交叉椭圆管内的流场和温度场ZL001361228中国煤化工CNMHG