第41卷第6期 化学工程 Vol 41 No 6 2013年6月 CHEMICAL ENGINEERING( CHINA) 三角形螺旋流道层流流动 及换热特性模拟 王翠华2,刘胜举2,吴剑华12 (1.天津大学化工学院,天津30002;2.沈阳化工大学能源与动力工程学院,辽宁沈阳110142) 摘要:应用CFD软件硏究了直角三角形螺旋流道内层流流体的流动及换热特性,得到了充分发展条件下流体的速 度场及温度场,分析了换热壁面局部努塞尔数N的分布及流道结构对三角形螺旋流道内流体流动及换热的影 响。结果表明:层流状态内,流体在流道横截面上产生的二次涡为稳定的两涡结构;受二次流的影响,换热壁面上 各点的努塞尔数并不一致,其峰值岀现在靠近二次涡中心位置的换热壁面处。增大雷诺数及量纲一曲率,使得局 部努塞尔数峰值明显増大,且会使换热面中心弱传热区増大。平均努塞尔数随着雷诺数或曲率的增大而増大,但 相应的阻力系数也会随之增加 关键词:螺旋流道;三角形截面;二次流动;强化传热 中图分类号:TQ021.1;TQ021.3文献标识码:A文章编号:1005-9954(2013)06-003005 DOI:10.3969/ 1- Issn.1005-9954.2013.06.008 Simulation on characteristics of laminar flow and heat transfer in triangle helical duct WANG Cui-hua", LIU Sheng-ju, WU Jian-hua 2. School of Energy and Power Engineering, Shenyang University of Chemica,China, (1. School of Chemical Engineering and Technology, Tianjin University, Tianjin 300072 Technology, Shenyang 110142, Liaoning Province, China Abstract Laminar flow and heat transfer characteristics of triangle helical ducts with right-angled isosceles triangle cross section was investigated cally with CFD software. The velocity fields and temperature fields of fully developed laminar flow were obtained. The local Nusselt number Nu\ee along the heated wall and the effects of the structure parameters of the helical duct on the characteristics of laminar flow and heat tansfer were analyzed respectively. The results indicate that the steady flow structure of secondary flow on the cross section perpendicular to helix is with two vortexes in laminar flow conditions. Affected by the secondary flow, Nuloe along the heated wal is not uniform. There are two peaks on the heated wall near the centers of the two vortexes. As Reynolds number nd dimension one curvature increase, two peaks of the Nuy significantly increase and the poor position near the centre of the heated wall enlarges. The mean Nusselt number increases with the increasing of Reynolds number or the dimension one curvature while the friction factor increases as well Key words: helical duct; triangle cross section; secondary flow heat transfer enhancement 螺旋流道内流体的流动和换热是工业、流体力旋流道内流体流动的非正交和正交方程,使得螺旋 学和传热领域中的重要问题,引起了人们的广泛关流道内流体的流动及传热研究取得了突破性进展 注,经过前人的潜心研究取得了很多重要的成果。 Yamamoto等13), Futagami等,Cog等8), Janssen 例如:Wang等山和 Teramo等分别导出了用于螺等∽和Iiu等分别对圆形截面螺旋管道内流体 收稿日期:2012-10-2 基金项目:中央支持地方高校发展专项资金项目(辽财指教[2010]865号) 作者简介:王翠华(1978—),女,博士研究生,讲师,研究方向为流体流动与换热过程强化,Emil:373752724@qcom;吴剑华,通信联系 人,E-mail:373752724@qcom。第 ４１卷 第 ６期 ２０１３年 ６月 化 学 工 程 ＣＨＥＭＩＣＡＬＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ（ＣＨＩＮＡ） Ｖｏｌ．４１Ｎｏ．６ Ｊｕｎ．２０１３ 收稿日期：２０１２１０１２ 基金项目：中央支持地方高校发展专项资金项目（辽财指教［２０１０］８６５号） 作者简介：王翠华（１９７８—），女，博士研究生，讲师，研究方向为流体流动与换热过程强化，Ｅｍａｉｌ：３７３７５２７２４＠ｑｑ．ｃｏｍ；吴剑华，通信联系 人，Ｅｍａｉｌ：３７３７５２７２４＠ｑｑ．ｃｏｍ。 三角形螺旋流道层流流动 及换热特性模拟 王翠华１，２ ，刘胜举２ ，吴剑华１，２ （１．天津大学 化工学院，天津 ３０００７２；２．沈阳化工大学 能源与动力工程学院，辽宁 沈阳 １１０１４２） 摘要：应用 ＣＦＤ软件研究了直角三角形螺旋流道内层流流体的流动及换热特性，得到了充分发展条件下流体的速 度场及温度场，分析了换热壁面局部努塞尔数 Ｎｕｌｏｃ的分布及流道结构对三角形螺旋流道内流体流动及换热的影 响。结果表明：层流状态内，流体在流道横截面上产生的二次涡为稳定的两涡结构；受二次流的影响，换热壁面上 各点的努塞尔数并不一致，其峰值出现在靠近二次涡中心位置的换热壁面处。增大雷诺数及量纲一曲率，使得局 部努塞尔数峰值明显增大，且会使换热面中心弱传热区增大。平均努塞尔数随着雷诺数或曲率的增大而增大，但 相应的阻力系数也会随之增加。 关键词：螺旋流道；三角形截面；二次流动；强化传热 中图分类号：ＴＱ０２１．１；ＴＱ０２１．３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００５９９５４（２０１３）０６００３００５ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００５９９５４．２０１３．０６．００８ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｌａｍｉｎａｒ ｆｌｏｗａｎｄｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｉｎｔｒｉａｎｇｌｅｈｅｌｉｃａｌｄｕｃｔ ＷＡＮＧＣｕｉｈｕａ１，２ ，ＬＩＵＳｈｅｎｇｊｕ２ ，ＷＵＪｉａｎｈｕａ１，２ （１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｈｅｍｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＴｉａｎｊｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ３０００７２，Ｃｈｉｎａ； ２．ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｎｅｒｇｙａｎｄＰｏｗｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈｅｎｙａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ１１０１４２，ＬｉａｏｎｉｎｇＰｒｏｖｉｎｃｅ，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｌａｍｉｎａｒｆｌｏｗａｎｄｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｒｉａｎｇｌｅｈｅｌｉｃａｌｄｕｃｔｓｗｉｔｈｒｉｇｈｔａｎｇｌｅｄｉｓｏｓｃｅｌｅｓｔｒｉａｎｇｌｅ ｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎｗａｓｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｎｕｍｅｒｉｃａｌｌｙｗｉｔｈＣＦＤｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅｖｅｌｏｃｉｔｙｆｉｅｌｄｓａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄｓｏｆｆｕｌｌｙ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄｌａｍｉｎａｒｆｌｏｗｗｅｒｅｏｂｔａｉｎｅｄ．ＴｈｅｌｏｃａｌＮｕｓｓｅｌｔｎｕｍｂｅｒＮｕｌｏｃａｌｏｎｇｔｈｅｈｅａｔｅｄｗａｌｌａｎｄｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅｈｅｌｉｃａｌｄｕｃｔｏｎｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｌａｍｉｎａｒｆｌｏｗａｎｄｈｅａｔｔａｎｓｆｅｒｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｔｈｅｓｔｅａｄｙｆｌｏｗｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｓｅｃｏｎｄａｒｙｆｌｏｗｏｎｔｈｅｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ｔｏｈｅｌｉｘｉｓｗｉｔｈｔｗｏｖｏｒｔｅｘｅｓｉｎｌａｍｉｎａｒｆｌｏｗｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ａｆｆｅｃｔｅｄｂｙｔｈｅｓｅｃｏｎｄａｒｙｆｌｏｗ，Ｎｕｌｏｃａｌｏｎｇｔｈｅｈｅａｔｅｄｗａｌｌ ｉｓｎｏｔｕｎｉｆｏｒｍ．Ｔｈｅｒｅａｒｅｔｗｏｐｅａｋｓｏｎｔｈｅｈｅａｔｅｄｗａｌｌｎｅａｒｔｈｅｃｅｎｔｅｒｓｏｆｔｈｅｔｗｏｖｏｒｔｅｘｅｓ．ＡｓＲｅｙｎｏｌｄｓｎｕｍｂｅｒ ａｎｄｄｉｍｅｎｓｉｏｎｏｎｅｃｕｒｖａｔｕｒｅｉｎｃｒｅａｓｅ，ｔｗｏｐｅａｋｓｏｆｔｈｅＮｕｌｏｃｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｉｎｃｒｅａｓｅａｎｄｔｈｅｐｏｏｒｐｏｓｉｔｉｏｎｎｅａｒｔｈｅ ｃｅｎｔｒｅｏｆｔｈｅｈｅａｔｅｄｗａｌｌｅｎｌａｒｇｅｓ．ＴｈｅｍｅａｎＮｕｓｓｅｌｔｎｕｍｂｅｒｉｎｃｒｅａｓｅｓｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｏｆＲｅｙｎｏｌｄｓｎｕｍｂｅｒｏｒ ｔｈｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎｏｎｅｃｕｒｖａｔｕｒｅ，ｗｈｉｌｅｔｈｅｆｒｉｃｔｉｏｎｆａｃｔｏｒｉｎｃｒｅａｓｅｓａｓｗｅｌｌ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｅｌｉｃａｌｄｕｃｔ；ｔｒｉａｎｇｌｅｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎ；ｓｅｃｏｎｄａｒｙｆｌｏｗ；ｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ 螺旋流道内流体的流动和换热是工业、流体力 学和传热领域中的重要问题，引起了人们的广泛关 注，经过前人的潜心研究取得了很多重要的成果。 例如：Ｗａｎｇ等［１］ 和 Ｇｅｒａｍｏ等［２］分别导出了用于螺 旋流道内流体流动的非正交和正交方程，使得螺旋 流道内流体的流动及传热研究取得了突破性进展； Ｙａｍａｍｏｔｏ等［３６］ ，Ｆｕｔａｇａｍｉ等［７］ ，Ｇｏｎｇ等［８］ ，Ｊａｎｓｓｅｎ 等［９］ 和 Ｌｉｕ等［１０］分别对圆形截面螺旋管道内流体