T 型翅片管管外沸腾强化传热的数值模拟

        

沸腾强化传热是强化传热技术中的一个重要领域。沸腾强化传热主要是通过多孔表面增加汽化核心的方法来进一步提高设备的换热效率， 更合理地利用能源。根据制造方法的不同可将多孔表面分为两类，一类为多孔覆盖表面，另一类为多孔开孔表面。    

（示意图，不对应文中任何产品信息）

1  求解设置及边界条件      

       

本文研究的T型翅片管，其换热表面就是一种典型的机械加工多孔表面， 具有加工过程简单、制造成本低等优点。本文利用Fluent 14.0中的沸腾模型对T 型翅片管管外沸腾传热进行模拟。结合其管外温度、气相体积分数分布等数据信息， 探讨T型翅片管管外沸腾强化传热的机理。

本文研究的T型翅片管结构及几何参数如图1所示。考虑到数值模型的简化以及网格划分问题，数值模型只保留200mm的换热管长度。

用于对比的直管模型与T型翅片管相同，为覫25×2.5×200 换热管。由于 T 型翅片管翅片尺寸相对较小，导致三维模型需要大量的网格，使计算变得更加复杂，且换热管为对称模型，因此本文采用一半换热管的二维模型进行计算。数值模拟对象为管外沸腾强化传热，因此只建 立了管外流动区域，其区域宽度为换热管间距的一半15.8 mm， 长度为200 mm。

图2为T型翅片管翅片部分网格划分情况，可以看出，翅片部分网格较细。沿着远离翅片的流体区域，网格逐渐变粗，并有平滑的过渡。对于上述两种换热管划分若干种不同尺寸的网格并进行网格无关解验证，最终得到光滑管网格数为3800左右，T 型翅片管网格数较多， 为40800左右。

2  计算结果分析      

       

2.1 速度云图分析        

图3为流速1.2 m/s 时T型翅片管管外气相速度矢量图。由图3可以看出，在流动区域内， 气相速度逐渐增大，最大速度达到2.34m/s，大于给定进口速度1.2 m/s。这是由于气体在产生过程中不仅受到流动液体的作用沿着流动方向继续流动，而且受到浮升力作用，两者叠加使流速增大。同时，气泡的产生和破灭会不断扰动主流区域，使主流的湍流程度增加， 也会使部分区域的流速增大。

图中对换热管末端翅片部位的气相速度矢量图进行了放大，可以看到，翅片位置产生的气相均在浮升力的作用下，朝着远离加热面的方向流动。而且与主流区域相比，翅片位置液体流动并不剧烈，流速仅为 0.2 m/s 左右。

图   4   为光滑管管外沸腾工况下气相速度矢量图，气相流速最大为   1.42 m/s   ，小于   T   型翅片管的   2.34 m/s   。而且光滑管外流动比较有规律，其速度矢量基本上为平行矢量，方向也基本相同。也就是说，由于光滑管管外没有凹坑和凸出物，相对而言不容易生成汽泡。此外，翅片能够间接增大传热面积，因而翅片管更有利于传热。  

2.2 气相分率及压降分析        

将进口流速为1.2 m/s时T型翅片管和普通光滑管计算域中心线上气相体积分数值示于图5中，图5 (a) 为T型翅片管气相体积分数分布，图 (b) 为光滑管气相体积分数分布。可以看出，沿着中心线方向，两种换热管气相体积分数均呈递增趋势，且在流体流过一段距离后，增长速度增快。对比两种换热管管外气相分布可以看出，T型翅片管管外气相体积分数大， 两者最大值相差13%左右，而光滑管中心线气相体积分数最大也只有7%。

在进口流速及换热管壁面温度均相同的条件下，T型翅片管产生的蒸汽量大，传热量远大于普通光滑管。图6为两种换热管沿中心线上混合相压力分布情况，图中横坐标为中心线上位置，纵坐标为混合相压力。两种换热管压降趋势相同，沿着流动方向逐渐降低。不同的是，由于翅片导致了更大的摩擦阻力损失，T型翅片管管外计算域中心线上压降更大， 达到650 Pa左右，而光滑管只有225Pa。

数值计算了不同流速下T型翅片管和光滑管管外沸腾传热情况。图7所示为不同流速下两种换热 管管外平均气相体积分数对比， 随着流速的增加，两种换热管管外气相体积分数均呈减小趋势。这种现象是由于流速的增加，使得冷流体受热时间减少，冷流体无法得到充分的加热，即在沸腾工况中冷流体没有得到充分的沸腾，因此其气相生成量也 就随着流速的增加而减小。

图7也反应出T型翅片管沸腾传热能力强于光滑管，其管外平均气相体积分数远远高于光滑管。流速为1.2m/s时管外气相为光滑管的3.7倍多， 2.0m/s时最大，达到4.5倍。机械加工得到的管外凹坑为气泡的形成提供了极为有利的条件，气泡的生成和破灭同时也在一定程度上增加了流动的湍流程度，进一步强化了换热管外沸腾传热。

另外，T 型翅片管也在很大程度上增加了换热管的有效换热面积，使得传热量增大，气泡生成量增多。图8为不同流速下两种换热管管外进出口压力降对比，可以看出，随着流速的增加，管外压降呈上升趋势，且T型翅片管上升速度更快，相差最多时为光滑管压降的3倍左右。这是由于T型翅片管 机加工表面引入了更大的流动阻力，因此对于这种强化换热管的使用，不仅要考虑到其强化沸腾传热的优点，同时也要考虑其较大的流动压降。

从计算结果中调出传热面上的热流量，再根据壁温和流体温度计算得到两种换热管的管外侧沸腾传热系数，将其绘于图9中，图中横坐标为流体流速，纵坐标为传热系数。对比两种换热管的传热系数发现，T型翅片管管外沸腾传热系数在不同流速下均高于光滑管，平均高于光滑管20%左右。在低流速下强化沸腾传热效果更加明显，1.2m/s时达到23.2%；2.0m/s时强化效果较差，也有18.7%。因此，机械加工表面T型翅片管对于管外沸腾强化传热效果明显，而且在低流速下强化效果更好。

2.3强化传热综合性能评价        

强化传热通过传热评价因子η来评估。当η大于1时，表明在相同的换热管输送功率下，强化传热管传递的热量大于基准管。η值越大，传热管增强传热的能力越强。η计算式如下所示：

图10为T型翅片管强化传热综合性能评价因子η随流速的变化情况，图中的η都大于1，说明 T型翅片管有很好的强化传热效果。

由图10可见：η值随流速的增大而减小，在低流速情况下η值较大，强化沸腾传热效果较好，而在高流速情况下η 值相对更趋近于1，强化传热效果相对不明显。这是由于在低流速时，翅片管生成汽泡较多，同时造成了相对比较强烈的扰动；而在流速较高时，汽泡没有低流速时产生量多，且流速较高时本身湍流程度会比较高，此时扰动影响的比例就会比较小。

3  结论      

       

（1）机械加工得到的管外凹坑可以产生大量的汽化核心，使得T型翅片管的汽泡生成和破灭频率非常高， 这一过程产生的扰动破坏流体与管道壁面之间的边界层， 使传热得到强化。另一方面，T型翅片管也在很大程度上增加了换热管的有效换热面积，使得传热量增大，气泡生成量增多。在本文研究范围内，流速为1.2 m/s时管外气相为光滑管的 3.7 倍多，2.0 m/s 时最大，达到4.5倍。

（2）对比T型翅片管与光滑管的管外沸腾传热系数发现，T型翅片管管外沸腾传热系数在不同流 速下均高于光滑管，平均高出光滑管20%左右。在低流速下强化沸腾传热效果更加明显，1.2m/s 时达到23.2%，2.0m/s时强化效果较差，也有 18.7%。

（3） 在提高传热效率的同时，翅片结构也相应地引入了更大的流动阻力，使管外流动的进出口压降增大。但其强化传热综合性能评价因子η在不同 流速下均大于1，说明T型翅片管有很好的强化传热效果。在低流速情况下， 沸腾强化传热效果较好；在高流速情况下， 强化效果相对不明显。

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