常见强化换热管内的流体传热模拟研究
一、研究背景与意义
强化传热是节能与安全运行管理技术的重要方向之一。通过强化传热措施提高换热设备单位传热面积的传热量可以使设备紧凑，节省设备金属耗量、减少能源损耗；对于冷凝器或凝汽器而言，强化传热还可以节约水资源与减少冷却水泵功耗；对于用于高温工质的换热管道如锅炉对流管束来说，强化传热还可以提高设备运行安全可靠性，延长设备寿命。同时，随着现代电子设备微型化紧凑化高热流密度的发展，微通道传热及高功率部件的及时高效散热需求变大，高效传热的地位在无形中也被抬高。当前流体及强化传热理论基础相对完备，但受限于实际实验测量点的设置干扰问题，可视化技术的局限性，使得学者们对于强化换热问题的研究倾向于成本低廉、效率高的数值模拟。同时对于纷繁的研究成果缺乏一个统一的参考标准。因此，在同一工况下对强化管内流体流动特征的研究，对分析强化传热特性和实际应用具有重要工程意义。
常用的CFD软件主要有ANSYS Fluent，STAR-CCM，comsol等，为研究流体的微观特征提供较好的数值模拟平台，是工程研究的重要手段之一。本文研究使用ANSYS Fluent研究分析强化管内流体的流动和传热特征，为工程应用提供一些参考资料。
二、国内外研究现状
就国内外大部分研究现状而言，流场模拟强化传热研究重点主要集中在：①创造旋转流环境如螺旋管、扭曲管、管内置扭带等，流型从柱塞流变为旋转流，利用离心力的作用减轻管壁对流体的粘性作用并且增强管壁横向冲刷从而达到削薄边界层的作用，另外旋转流促进流体之间的湍流掺混从而促进流体之间的传热，而且还延长流程延长换热时间，多方面强化传热；不过与此同时机械扭曲加工使换热管强度变差并且压损也随之增大，而研究发现减少对主流区的干扰可以在较大程度上减轻压损。②创造射流条件，射流直接冲击壁面及卷吸作用可以破坏原来相对稳定的流体结构从而极大强化局部范围的传热效果。③异型管如椭圆管、内波节管、花柄管、内波纹管等扩展换热面积，波纹波节等还破坏边界层从而达到强化传热效果；但随之带来的是管壁增厚导热热阻变大同时金属用料增多否则可靠性密封性变差使用寿命变低。④涡流发生器如爪型翅涡杆、锥形片爪型翅涡杆、直面梯形翼柱面梯形翼等从换热管截面中心或壁面增加扰流结构从而产生多个纵向二次涡，增大湍流度强化传热；但引发的压损影响也很大，改进方案主要有增大空缺比、在涡流发生器上冲孔减小前后压降等。⑤微通道分流增大换热面积同时改善紧凑性，但是压降、堵塞、工质分配均匀度等问题仍需研究者关注，改进表面张力、内壁疏水性可以作为减小压降的一个参考角度。⑥改变流体物性如使用高导热性的纳米流体、加金属颗粒的流体等，但成本过高。
1.从改变流型角度入手
李雅侠等[1]基于螺旋管叠加射流，考察射流入射角度及射流速比对强化螺旋通道内流体传热的影响，并指出：纯螺旋管由于离心力外侧壁的传热效果较好，而射流的冲击与卷吸作用可以显著强化内侧壁的传热，且由于流体主流离心涡的作用，最佳局部强化点偏后于射流器位置，Nulocal 最高可为纯螺旋管的5.87倍 ；同时指出适当提高alpha;或ε均可提高射流在螺旋管内的综合强化传热效果。
张兰[2]模拟对比光管、花柄管与螺旋花柄管（扭曲管）的传热效果与流阻大小，设置不同质量流量与螺旋导程分析二者对螺旋花柄管传热流动的影响。指出：传热效果--螺旋花柄管gt;花柄管gt;光管（同泵功耗下），流阻大小—螺旋花柄管gt;花柄管gt;光管，管内流体同时受到花柄沟槽曲率与螺旋扭率的影响，随着管壁做旋转、附着、脱落的运动，强化湍动有效地破坏边界层，强化传热但同时增大流阻，其中管内凹槽增大换热面积也对强化传热起到一定作用，螺旋角度则对流体形成一定的分流作用，进一步增大流体间碰撞摩擦增大流阻；流速或质量流量增大会同时强化换热与增大流阻；随着螺旋导程增加，强化传热效果与流阻不断下降；另外，由于进口过高流速冲刷易改变管内流体流动方向变化，故随着进口流速增大，压降增大明显。
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