王翠华等三角形螺旋流道层流流动及换热特性模拟 流动及换热性能进行了研究,揭示了二次流对管内 本文共对4种不同结构的三角形螺旋流道进行 流体换热的强化作用,分析了结构参数对圆形截面了模拟,其结构参数如表1所示。 螺旋流道内流体流动及换热的影响; bolinder 等 ), Sakalis等,Chen等和 Zhang等分 表1物理模型的结构参数 Table 1 Structural parameters of physical model 别采用数值方法或实验的方法研究了截面形状为矩 形的螺旋流道总结出了量纲一螺距曲率截面高号m“m“ 877 宽比、普朗特数等对管道流动及换热性能的影响。 210025208.280.08280.0398 以上文献的研究都局限于截面形状为圆形或矩 208.280.04140.0238 形截面的螺旋管道,而对三角形螺旋流道内流体流动 430045 8.280.02760.0238 结构及换热特性的报道目前尚未见到。和圆形螺旋 流道不同的是,三角形和矩形螺旋流道均可以布置在1.2模拟方法 筒体状容器的外侧,流道内通入加热或冷却介质,可 应用 Fluent软件,以水为工作介质,采用层流稳 加热或冷却容器内的物料。比如角钢夹套,它就是将态模型,均匀流速和温度人口,充分发展出口。受热 角钢螺旋缠绕焊接在筒体状容器的外侧,角钢与筒体面采用恒定壁温(T=350K),计算网格采用非结 外壁构成了三角形截面螺旋流道{。与矩形流道构六面体网格(网格划分见图2),对模型4进行网 相比,当二者具有相同内壁表面积时,三角形流道具格独立性实验,面网格间距为0.7mm,体网格间距 有流道截面积小,相同流量时流速高且相同Re数时为1.5mm时能满足精度要求。压力和速度的解耦 阻力系数小的特点。因此,深入研究三角形螺旋流道计算采用 SIMPLEC算法,对流项的离散格式采用二 内流体流动及换热性能具有重要意义 阶迎风格式,收敛残差均取小于1.0×10-6。 文中采用数值方法研究了恒定壁温等腰直角三 角形螺旋流道内流体的充分发展层流流场及温度 场,分析了雷诺数变化对流体流动及换热性能的影 响,并得出了不同曲率时换热壁平均努塞尔数的值。 1数值模拟方法 1.1物理模型 三角形螺旋流道的物理模型及坐标系统如图1 横截面上的网格划分 所示。图中,R为螺旋管道曲率半径,H为螺距,a Grid of section 为直角三角形斜边边长,a为螺旋线升角,(r,θ,z) 为螺旋流道所在的柱坐标系,其速度分量分别用 1.3计算结果验证 va,v2来表示。定义螺旋管道的量纲一曲率δ、量纲 正如前言中所述,目前并未发现对三角形螺旋 挠率η、雷诺数Re分别为 流道的研究报道,无法进行对比验证。文中采用与 8=d,/Re, 7=H/(2TR), Re=d,w p/u (1) 模拟三角形螺旋流道相同的方法对正方形截面螺旋 式中:d1为三角形截面的当量直径;m。为截面上的管道(=0.167,n=0.00)进行了模拟计算,将阻 平均速度;,μ分别为流体的密度及动力黏度。 力系数f和Nun的模拟结果与文献[1l给出的阻 力系数关联式(2)及文献[19]给出的努塞尔数关联 式(3)进行比较,结果示于表2,通过比较证明了该 模拟方法的准确性。 f=f.(1+0.288Dm+88× 热面 口0加热面 10-8Dn4)-03+0.107Dn05 Nan=1.0102P1036Dn.3Gm-00(3) 图1螺旋流道模型和坐标系统 式中.为正方形直管阻力系数,P=/A为普朗特 Fig. 1 Model of helical duct and coordinate systems 数,Dm=R3为Dean数,Cn=Rdn为 Germano数流动及换热性能进行了研究，揭示了二次流对管内 流体换热的强化作用，分析了结构参数对圆形截面 螺旋 流 道 内 流 体 流 动 及 换 热 的 影 响；Ｂｏｌｉｎｄｅｒ 等［１１１３］ ，Ｓａｋａｌｉｓ等［１４］ ，Ｃｈｅｎ等［１５］和 Ｚｈａｎｇ等［１６］分 别采用数值方法或实验的方法研究了截面形状为矩 形的螺旋流道，总结出了量纲一螺距、曲率、截面高 宽比、普朗特数等对管道流动及换热性能的影响。 以上文献的研究都局限于截面形状为圆形或矩 形截面的螺旋管道，而对三角形螺旋流道内流体流动 结构及换热特性的报道目前尚未见到。和圆形螺旋 流道不同的是，三角形和矩形螺旋流道均可以布置在 筒体状容器的外侧，流道内通入加热或冷却介质，可 加热或冷却容器内的物料。比如角钢夹套，它就是将 角钢螺旋缠绕焊接在筒体状容器的外侧，角钢与筒体 外壁构成了三角形截面螺旋流道［１７１８］ 。与矩形流道 相比，当二者具有相同内壁表面积时，三角形流道具 有流道截面积小，相同流量时流速高且相同 Ｒｅ数时 阻力系数小的特点。因此，深入研究三角形螺旋流道 内流体流动及换热性能具有重要意义。 文中采用数值方法研究了恒定壁温等腰直角三 角形螺旋流道内流体的充分发展层流流场及温度 场，分析了雷诺数变化对流体流动及换热性能的影 响，并得出了不同曲率时换热壁平均努塞尔数的值。 １ 数值模拟方法 １．１ 物理模型 三角形螺旋流道的物理模型及坐标系统如图 １ 所示。图中，Ｒｃ为螺旋管道曲率半径，Ｈ为螺距，ａ 为直角三角形斜边边长，α为螺旋线升角，（ｒ，θ，ｚ） 为螺旋流道所在的柱坐标系，其速度分量分别用 νｒ， νθ，νｚ来表示。定义螺旋管道的量纲一曲率 δ、量纲 一挠率 η、雷诺数 Ｒｅ分别为： δ＝ｄｈ／Ｒｃ，η＝Ｈ／（２πＲｃ），Ｒｅ＝ｄｈｗｍρ／μ （１） 式中：ｄｈ为三角形截面的当量直径；ｗｍ 为截面上的 平均速度；ρ，μ分别为流体的密度及动力黏度。 图 １ 螺旋流道模型和坐标系统 Ｆｉｇ．１ Ｍｏｄｅｌｏｆｈｅｌｉｃａｌｄｕｃｔａｎｄｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓｙｓｔｅｍｓ 本文共对 ４种不同结构的三角形螺旋流道进行 了模拟，其结构参数如表 １所示。 表 １ 物理模型的结构参数 Ｔａｂｌｅ１ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｐｈｙｓｉｃａｌｍｏｄｅｌ 序号 Ｒｃ／ｍｍ Ｈ／ｍｍ ａ／ｍｍ ｄｈ／ｍｍ δ η １ １００ ４０ ２０ ８．２８ ０．０８２８０．０６３７ ２ １００ ２５ ２０ ８．２８ ０．０８２８０．０３９８ ３ ２００ ３０ ２０ ８．２８ ０．０４１４０．０２３８ ４ ３００ ４５ ２０ ８．２８ ０．０２７６０．０２３８ １．２ 模拟方法 应用 Ｆｌｕｅｎｔ软件，以水为工作介质，采用层流稳 态模型，均匀流速和温度入口，充分发展出口。受热 面采用恒定壁温（Ｔｗ ＝３５０Ｋ），计算网格采用非结 构六面体网格（网格划分见图 ２），对模型 ４进行网 格独立性实验，面网格间距为 ０．７ｍｍ，体网格间距 为 １．５ｍｍ时能满足精度要求。压力和速度的解耦 计算采用 ＳＩＭＰＬＥＣ算法，对流项的离散格式采用二 阶迎风格式，收敛残差均取小于 １．０×１０－６ 。 图 ２ 横截面上的网格划分 Ｆｉｇ．２ Ｇｒｉｄｏｆｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎ １．３ 计算结果验证 正如前言中所述，目前并未发现对三角形螺旋 流道的研究报道，无法进行对比验证。文中采用与 模拟三角形螺旋流道相同的方法对正方形截面螺旋 管道（δ＝０．１６７，η＝０．００３）进行了模拟计算，将阻 力系数 ｆＲｅ和 Ｎｕｍ 的模拟结果与文献［１１］给出的阻 力系数关联式（２）及文献［１９］给出的努塞尔数关联 式（３）进行比较，结果示于表 ２，通过比较证明了该 模拟方法的准确性。 ｆＲｅ＝ｆＲｅｓ[ （１＋０．２８８Ｄｎ＋８．８× １０－８ Ｄｎ４ ）－０．３＋０．１０７Ｄｎ０． ] ５ （２） Ｎｕｍ ＝１．０１０２Ｐｒ０．２５７６ Ｄｎ０．４０２５ Ｇｎ－０．００８８ （３） 式中：ｆＲｅｓ 为正方形直管阻力系数，Ｐｒ＝μｃｐ／λ为普朗特 数，Ｄｎ＝Ｒｅδ ０．５ 为 Ｄｅａｎ数，Ｇｎ＝Ｒｅｄｈη为 Ｇｅｒｍａｎｏ数。 王翠华等 三角形螺旋流道层流流动及换热特性模拟 ·３１·