脉动流场下波壁管内流体流动与换热特性
发布时间：2022-03-07
摘 要 强化换热是实现绿色低碳发展和提升综合竞争力的有效途径，符合当前“碳中和”的理念。利用数值模拟的方法对脉动流场下波壁管内流体的流动与换热特性进行分析研究。研究发现，当脉动频率很低时，出口截面速度分布类似于稳态时的抛物线分布，而当脉动频率较大时，在波壁管的主流区速度梯度较低，在近壁面处速度梯度很大。脉动流场下无反向流与有反向流下流场的分布明显不同，有反向流流场的紊乱度更高。在脉动流动下，振动分率 P < 1 时，摩擦因数呈正弦规律变化，当 P≥1 时，摩擦因数不再呈正弦规律变化; 脉动频率会引起摩擦因数的相位发生变化，而振动分率不会引起其相位发生变化。脉动对于波壁管内流体的换热也有一定的影响，当 P < 1 时，随着 P 的增加，传热强化系数变化不明显，而当 P > 1 时，传热强化系数随着 P 的增加而明显增大。
关键词 数值分析; 脉动流场; 波壁管; 强化换热
强化换热是实现绿色低碳发展和提升综合竞争力的有效途径，符合当前“碳中和”的理念。传统的光滑圆管换热效率不高，许多学者通过改变管道管型，从而改变管内流体的流动状态从而达到强化换热的效果[1-2]。而波壁管作为一种新型的换热管，它具有结构简单、容易产生流动分离、能独立支撑等优势，因此被中外学者广泛研究。研究结果表明[3-7]，在相同条件下，波壁管的换热特性与质量传递特性比光滑圆管更好，且波壁管内流体的最优热质传递发生在中等雷诺数范围内。脉动流场具有强化流动分离的特点，一些学者对脉动流场进行了一系列的研究。杨卫卫等[8]指出，在低频率下，平直通道的出口截面的速度分布类似于稳态时的抛物线分布，且发现平直通道内的摩擦因数 f 呈正弦规律变化。曹兴等[9]研究表明，在流场中加入脉动流后，可以增强流体的振动从而促进流体的流动混合。张东伟等[10]指出，脉动热管作为一种高效的换热设备，广泛运用于能源及化工设备的强化换热领域中。李聪龄[11]的研究发现，脉动流场下波壁管的质量传递特性随着振动分率 P 的增加而增大，尤其是在有反向流的情况下，脉动流场下流体的质量传递特性更强。张亮等[12]指出，脉动流场下波壁管的换热效果与稳态时有明显差异，且在脉动流动下，摩擦因数呈正弦规律变化，但平均摩擦因数与稳态相比变化不大。Chavan 等[13]对脉动流场下圆管内流动与传热特性进行了研究，发现雷诺数 Re、振动频率 St 以及振动幅度均与换热特性有很大的影响，其中随着 Re 与 St 的增加，努塞尔数 Nu 小幅度增大，而随着振动幅度的增加，Nu 的变化更加显著。 Mackley 等[14]对脉动流场下轴对称障碍管进行了实验研究，结果发现，轴对称障碍管的传热比相同条件下圆管传热更好，且脉动流场下的振动幅度与振动频率对传热过程有很大的影响。Lee 等[15]指出，正弦波壁管的质量传递强化因子随着 Re 的增大而增大，同时发现每一个 Re 都对应着一个最佳 St，最佳 St 随着 Re 的增大而小幅度地减小。
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综上所述，虽然前人对脉动流场进行了一定的研究，但是对波壁管内脉动流场下流体的流动与换热特性还未进行系统的研究。脉动流动的换热特性与阻力特性与定常流场相比有很大的差异，只有准确预测其换热与阻力特性，才能更好地对部件的性能进行优化。故现利用模拟计算的方法对脉动流场下波壁管内流体的流动与换热特性进行研究，可为脉动流场工程中的应用提供重要参考。
2 网格划分与边界条件设定
网格类型采用适应性更强的四面体非结构性网格，且对波壁管壁面处划分了边界层网格。为了消除网格数量对计算结果的影响，故对此进行了网格无关性验证。划分了 7 组不同数量的网格，在相同条件下进行数值模拟计算，计算结果对流换热系数 h 与进出口平均压降 ΔP 随网格数量 N 的变化如图 4 所示。发现网格数量在达到 20 万左右时，对流换热系数的变化不明显，在综合考虑了计算时间与精度以及计算设备等因素下，将网格数量控制在 20 万左右。
边界条件设定为: 入口采用速度入口，速度为用户自定义函数( user defined function，UDF) 脉动速度，计算公式为式( 1) ，出口采用自由出口，壁面采用固定无滑移壁面，壁面温度恒定，设为 350 K。在 FLUENT模拟计算中，由于 Re > 230 时，波壁管内流体从层 流 过 渡 为 湍 流[16]，故采用湍流模型中的RNG k-ε 模型，压力耦合求解采用 SIMPLE 算法。
图 7 与图 8 分别表示脉动流场下 Re = 400，St = 0. 5 时，P = 0. 4 与 P = 2 时，波壁管内流体的流场分布。从图 7 可知，振动分率 P = 0. 4 时，此时不存在反向流，波壁管内形成的漩涡比较明显，从图 8 可以看出，当 P = 2 时，此时流体出现反向流动，波壁管内流体的流场紊乱度更高，与图 7 相比，波壁管内流体的流场分布明显不同，特别是在减速区间 3 /8T ～ 5 /8T。
3. 2 温度分布分析
图 9 表示定常流场与脉动流场下的温度云图，其中，图 9( a) 为定常流场下 Re = 200 时的温度云图，而图 9( b) 表示有反向流脉动流场下 Re = 200，P = 2， St = 0. 8 时的温度云图。从图 9 中可以看出，有反向流脉动流场下波壁管中流体的平均温度比定常流场下流体的平均温度低，流体与管壁之间的温差高，表明有脉动流场下波壁管中流体的换热效果更好。
3. 3 摩擦因数分析
在流动问题中，摩擦因数是影响流体综合换热性能的一个重要因素，而且在强化换热过程中，也不能以大幅度增大摩擦因数为代价从而去强化换热，故需要对波壁管内流体的阻力进行研究。
4 结论
对脉动流场下波壁管内流体的流动及换热特性进行了数值分析，得出的主要结论如下。
( 1) 当脉动频率很小时，波壁管出口截面的速度分布类似于稳态时的抛物线分布，而脉动频率很大时，波壁管的主流区速度变化率很低，在近壁面处速度变化率很大。
( 2) 无反向流脉动流场下波壁管的流场分布与有反向流下的流场分布有明显的不同，有反向流的情况下流体紊乱度更高，特别是在减速区间范围内。
( 3) 在低 St 下，摩擦因数的变化与脉动入口速度的变化保持同相位; 而在高 St 下，摩擦因数不再与脉动入口速度保持同相位; 当 P < 1 时，摩擦因数呈现正弦规律变化，而在 P≥1 时，摩擦因数不再呈正弦规律变化; 振动分率 P 的变化不会引起摩擦因数的相位发生改变。
( 4) 流体在过渡流流域内传热强化效果好于湍流流域; P < 1 时，随着 P 的增加，传热强化效果不明显; P > 1 时，传热强化效果明显增加。——论文作者：张亮，张安龙，曲平平，荆宇燕
参 考 文 献
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