正弦曲线波纹管流动与换热特性研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 9 4 6.62MB 124 页 15积分
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I
中文摘要
换热器是热能交换的主要设备，被广泛地应用在石油、化工等工业生产的许
多领域，任何热交换设备均是两种不同温度的流体在非物理接触条件下实现热量
的交换，提高换热器的换热性能对于节能减排，资源高效利用具有重要的意义。
紧凑型换热器由于具有质量轻，性能高的特点已经广泛应用在换热器行业。通过
增强的表面来提高换热器的换热性能已经成功地在制冷，汽车和加工等行业中使
用。迄今为止，在国内外部分专家学者对波纹管换热器进行过研究。然而，对于
一种曲线光滑的正弦波纹管研究甚少，这也为国内在异型管换热领域留下很大的
发展空间，相信不久的将来拥有自主知识产权的波纹管会广泛应用在工业生产的
各个领域。
本文引入正弦弯度参数，提出一种基于正弦曲线生成的波纹管，通过 CFD 技
术，对管内湍流流动状态下的换热与流动进行数值模拟，分析了流体流动状态和
正弦弯度对管内换热与流动阻力特性的影响，并根据数值计算结果拟合出旺盛湍
流区正弦曲线管管内换热系数的准则关系式，为此，本文的主要研究内容有：
1. 比较研究三种常见波纹管（波节管、缩放管和正弦曲线波纹管）及普通直
管之间在传热强化性能以及流动阻力性能方面的差别，并结合场协同原
理分析，通过实验来验证本文数值计算的精确性。
2. 研究高粘度介质在管内的流动和换热特性，推导出正弦曲线波纹管换热表
面积的计算公式，为车用换热器计算程序的开发做好准备。
3. 分别对气流横掠不同正弦弯度的正弦曲线波纹管的换热及流动特性分别
研究，通过从换热器中提取典型单元作为数值设计的对象，确定正弦曲
线波纹管外换热能力与翅片安装位置之间的变化关系。
4. 采用 VB6.0 程序语言及其提供的 DAO 数据库访问对象，结合换热器性能
预测的 NTU-
ε
方法，完成了管片式正弦曲线管换热器性能预测的可视化
程序的编制。
关键词： 正弦曲线波纹管；正弦弯度；对流换热；流动阻力；场协
同；数值计算；VB 程序
II
ABSTRACT
Heat exchangers are some of the most widely used applications area in industry.
Heat exchangers are devices that allow heat transfer between two fluids that have
different temperatures without physical contact between them. Heat transfer increment
is generally crucial for some reasons, such as saving energy and material resources.
Therefore, compact heat exchangers that have low-weight and high level of
performance, must be designed for the heat-exchanger industry. Enhanced surfaces
have been successfully used in the heat transfer industry to obtain more compact and
efficient units. Heat transfer enhancement technology has been widely used in heat
exchanger in the refrigeration, automotive and process industries among others. The
heat transfer enhancement has been analyzed by various methods in order to have
compact heat exchangers. Heretofore, convective heat transfer of corrugated tube has
been researched by some scholars. However, sinusoidal corrugated tube has been very
little studied at home and abroad.
A new type of corrugated tube based on sine function is proposed by introducing
a parameter of sine camber. The heat transfer and flow around sinusoidal corrugated
tubes with different sine camber e are investigated in this paper. Computational Fluid
Dynamics (CFD) was used to analysis flow state and sine camber of tube influence on
the heat transfer and flow, a correlation equations of Nu (Nusselt) =f(Re) is given, for
these, the research has the following main contents:
1. The theoretical comparative analysis with field synergy principle is carried out
for the heat transfer and flow resistance in corrugated tubes, zoom tube and
sinusoidal tube, and its Experimental Verification
2. The heat transfer and flow characteristic of high viscosity medium in tube is
researched, deducing calculation formula of sinusoidal tubes heat exchange
area, and designing application programmers.
3. Convective heat transfer and flow resistance characteristic around sinusoidal
tubes with different sine camber ein cross flow are investigated. And the
relationship between a heat transfer rate and fin position.
4. Based on “NTU-ε” algorithm, a visualized software is programmed to evaluate
the performance for the finned tube heat exchanger by object oriented
III
programming VB6.0 with ADO object database access. Practical
calculations validate this software.
Keywords ：Sinusoidal tube; Sine camber; Heat transfer; Flow
resistance; Field synergy; Numerical calculation; VB
programming
IV
目录
中文摘要 ........................................................................................................................I
ABSTRACT ..................................................................................................................II
目录 ............................................................................................................................. IV
第一章 绪论 ................................................................................................................. 1
§1.1 数值传热学的意义 ....................................................................................... 1
§1.2 课题的研究背景及意义 ............................................................................. 2
§1.3 国内外波纹管的发展现状 ......................................................................... 3
§1.4 本文主要研究内容 ........................................................................................ 6
§1.5 本课题难点与创新点 .................................................................................... 7
§1.5.1 本课题难点 ......................................................................................... 7
§1.5.2 本课题创新点 ..................................................................................... 7
第二章 三种常见波纹管内流动与换热特性比较分析 ............................................. 8
§2.1 波纹管强化换热原理 ................................................................................... 8
§2.1.1 边界层理论 ......................................................................................... 8
§2.1.2 波纹管换热器强化换热性能理论分析 .............................................. 9
§2.2 计算流体力学概述 ...................................................................................... 10
§2.2.1 计算流体力学基本原理 ................................................................... 10
§2.2.2 对流项离散格式的构造 .................................................................... 11
§2.2.3 湍流的数值模拟方法 ....................................................................... 13
§2.2.4 流动模型简介 ................................................................................... 15
§2.2.5 粘性流体运动的基本方程及定解条件 ........................................... 15
§2.3 基于 CFD 波纹管内流动与换热的数值模拟 ............................................18
§2.3.1 计算软件简介 ................................................................................... 18
§2.3.2 数值方法 ........................................................................................... 19
§2.4 实验数值验证 ............................................................................................. 27
§2.4.1 实验系统 ........................................................................................... 27
§2.4.2 实验方法 ........................................................................................... 28
§2.4.3 实验结果 ........................................................................................... 28
§2.5 本章小结 ..................................................................................................... 29
V
第三章 正弦曲线波纹管管内流动与换热特性研究 ............................................... 30
§3.1 正弦弯度对正弦曲线管内阻力与换热性能的影响 .................................. 30
§3.1.1 管内低粘度介质对换热与阻力性能的影响 ................................... 30
§3.1.2 管内高粘度介质对换热与阻力性能的影响 ................................... 32
§3.1.3 两种流体管内流动综合性能比 ....................................................... 34
§3.2 正弦曲线管内换热特性准则关联式 ......................................................... 36
§3.2.1 湍流流动准则关系式 ....................................................................... 36
§3.2.2 层流流动准则关系式 ....................................................................... 37
§3.3 正弦曲线换热管换热面积计算 ................................................................. 38
§3.3.1 正弦曲线管的结构尺寸 ................................................................... 39
§3.3.2 换热表面积计算 ............................................................................... 39
§3.3.3 换热表面积公式简化 ....................................................................... 40
§3.4 本章小结 ..................................................................................................... 41
第四章 流体横掠正弦曲线管流动与传热性能分析 ............................................... 43
§4.1 管片式正弦曲线波纹管结构参数对换热性能的影响分析 ..................... 43
§4.1.1 几何模型 ........................................................................................... 43
§4.1.2 边界条件 ........................................................................................... 44
§4.1.3 网格研究 ........................................................................................... 44
§4.1.4 湍流模型 ........................................................................................... 46
§4.1.5 正弦弯度对管外换热性能影响 ....................................................... 47
§4.2 翅片安装位置对换热特性比较分析 ......................................................... 53
§4.2.1 几何模型 ........................................................................................... 53
§4.2.2 数值方法 ........................................................................................... 54
§4.2.3 计算结果分析 ................................................................................... 55
§4.3 数值方法在管片式正弦曲线管换热器设计中的应用 ............................. 59
§4.3.1 几何模型 ........................................................................................... 60
§4.3.2 数值方法 ........................................................................................... 61
§4.3.3 流场温度与压力分布 ....................................................................... 62
§4.3.4 翅片 j因子和 f因子随雷诺数变化曲线 ......................................... 68
§4.4 本章小结 ..................................................................................................... 69
第五章 车用紧凑式正弦曲线管换热器计算程序开发 ........................................... 71
§5.1 VB6.0 的数据库管理技术理论 ...................................................................71
VI
§5.1.1 VB6.0 对数据库访问的三种形式 .....................................................71
§5.1.2 数据库的建立与维护 ....................................................................... 72
§5.1.3 使用 DAO 方式访问数据库 ..............................................................73
§5.2 汽车换热器计算程序的数学模型 ............................................................. 74
§5.2.1 计算参数 ........................................................................................... 74
§5.2.2 汽车散热器程序计算步骤 ................................................................ 77
§5.3 基于关系型数据库的汽车换热器软件系统 ............................................. 77
§5.3.1 关系型数据库 ................................................................................... 77
§5.3.2 计算软件系统 ................................................................................... 79
§5.3.3 数据查询与处理系统 ....................................................................... 80
§5.3.4 热流特性动态演示 ........................................................................... 81
§5.3.5 计算软件正确性验证 ....................................................................... 82
§5.4 汽车换热器计算软件界面 ......................................................................... 83
§5.4.1 封面窗体 ............................................................................................ 83
§5.4.2 添加表面窗体 .................................................................................... 84
§5.4.3 Re-J 窗体 ............................................................................................85
§5.4.4 表面参数窗体 .................................................................................... 85
§5.4.5 芯子尺寸窗体 .................................................................................... 86
§5.4.6 计算结果窗体 .................................................................................... 86
§5.5 本章小结 ..................................................................................................... 87
主要符号表 ................................................................................................................. 89
参考文献 ..................................................................................................................... 91
附录 1椭圆积分新法则在椭圆周长计算中正确性验证 ......................................... 96
附录 2 VB 程序源代码 ............................................................................................98
在读期间公开发表的论文及取得成果 ................................................................... 119
致谢 ........................................................................................................................... 121
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 数值传热学的意义
计算机数值模拟是一项综合应用技术，它对教学、科研、设计、产生、管理、
决策等部门都有很大的应用价值，计算机计算复杂对流换热过程以及多种流体的
相互作用等问题，实际上是求解含有很多线性与非线性的偏微分方程、积分方程
以及代数方程等的耦合方程组。
实验研究、理论分析与数值模拟是进行现代科学研究的三种主要的研究手段。
理论分析的优点在于所得结果具有普遍性，是指导实验研究和验证新的数值计算
方法的理论基础。但是，它要求对计算对象进行抽象和简化，才有可能得出理论
解。对于非线性情况，只有极少数情况才能给出解析结果。
试验研究方法所得到的结果真实可信，它是理论分析和数值方法的基础。然
而，实验往往受到模型尺寸、流场扰动、人身安全和测量精度的限制，有时很难
通过试验方法得到结果。此外，实验还会遇到经费投入、人力和物力的巨大耗费
及周期长等诸多困难。而且实验结果只能得知流场中部分参数，而对于整个流场
的参数却无法得知，因而无法清晰透彻的帮助研究人员了解问题的实质。
随着计算机硬件的飞速发展，数值模拟在开展科学研究、开发高新技术和加
强国防实力方面的作用越显重要，为此世界各国均投入了巨大的资金和人力进行
这方面研究。从广义上讲，数值模拟本身就可以看作一种基本实验，在某种意义
上比理论与实验对问题的认识更为深刻、更为细致，不仅可以了解问题的结果，
而且可随时连续动态地、重复地显示事物的发展，了解其整体与局部的细致过程。
2005 年美国总统顾问委员会提出要发展数值科学以确保美国在世界上的竞争力。
进入 21 世纪以来，世界范围内科学研究的一个重要特点就是利用数值模拟的方法
来实现实验以及理论无法解决的问题。然而，随着科学的发展，数值模拟所涉及
的物理过程越来越复杂，如何对各种复杂物理过程进行准确的数值模拟是现代数
值计算发展的一个重要方向，这也是本文所涉及的一个方面。
强化换热是国内外传热学界研究的热门课题，随着世界范围内能源危机问题
的日益严重，强化换热技术的研究更加引起国内外专家学者的重视。数值模拟在
强化换热技术中具有十分重要的作用。根据笔者多次项目的经验，一种强化换热
技术的开发往往经过一下步骤：概念提出——数值模拟性能预测及优化——根据
数值模拟选定结果选定实验样件——实验性能测试——完善定型后进入产品设计
与应用。这中间的数值模拟不仅节省了大量时间与物力，而且能够深入掌握所研
正弦曲线波纹管换热与流动特性研究
2
究的新技术的特点，提供丰富的速度场，温度场，局部换热与阻力系数等信息。
因此，数值模拟是与热流过程相关的工程技术开发的不可或缺的手段。
§1.2 课题的研究背景及意义
上个世纪 70 年代初发生的世界性能源危机，有力地促进了传热强化技术的发
展[1]。为了节约能耗，提高工业生产的经济效益，要求开发适用不同工业过程要
求的高效能换热设备。而强化传热元件的研究是新型高效换热设备设计制造的基
础。二十余年来，强化传热技术和换热器的开发与研究始终是人们关注的课题。
研究各种传热过程的强化问题，不仅是现代工业发展中必须解决的问题，同时也
是开发新能源和开展节能工作的紧迫任务，因而研究和开发换热技术对于发展国
民经济的意义是至关重要[2]。
圆柱型管束换热效果好、制造工艺简单等优点使得其在设备中应用最为普遍。
但企业生产实践证明，波纹管的换热效果相比圆柱型管更为显著。基于此，本文
对一种流线型良好、管型参数易调节的正弦曲线管的流动与换热特性进行探索。
在直管段内，流体的流动状态呈等直径流束的形式，如果直管段长度很短，
流体在管壁附近的层流边界层尚未形成，因此对流换热系数较高，而当直管段长
度很长时，流体在近壁附近会形成边界层，并且随着流体流动边界层逐渐增厚，
影响管内对流换热的效果。而在波纹管段内，流体的流动状态呈变直径流束的形
式，流动时在波纹管段的进口处产生喷射效，在出口处产生节流效应，正是由于
这两种效应综合作用，使管内产生无数细小旋涡和横向流，对流体边界层和污垢
层产生很强的冲击作用，致使波纹管段内流体的换热系数得到明显提高。更进一
步分析，波纹管截面的周期性变化，使得管内流体总是处在规律性的扰动状态,
管内流体的温度、密度、杂质含量沿径向均匀分布。周期性的能量积累与释放过
程使整个换热管内表面都受到流体的冲刷，并阻碍了污垢层的形成。
对于非圆形截面管内湍流换热计算在工程上采用当量直径作为特征尺寸，从
而应用圆管管内湍流换热的准则关联式[3]进行计算，但是当截面上出现尖角流动
区域时，应用当量直径的方法计算则会导致较大的误差[4]，本课题研究发现波纹
管管内湍流采用当量直径的方法计算换热系数误差较大。因而，针对每种管型参
数正弦曲线波纹管的流动与换热特性分别进行系统的研究，找出更具有一般性、
更能反映事物发展本质的规律，不仅可以在理论上从更高层次上把握传热机理，
更重要的是可以运用它来指导具体的新型高效换热器设计。另外，对正弦曲线管
套片式换热器对流换热性能理论进行补充、完善和发展也是十分有意义的。
第一章 绪论
3
§1.3 国内外波纹管的发展现状
近几年来，通过改变换热管表面形状来实现强化传热的方法占据了主导地位，
如波节管、螺旋管等。国外对波纹型通道的研究较多[5~8]，均发现波纹型通道的换
热能力比直通道好，但对波纹管的研究却不多，国内已有学者对波纹管强化传热
式换热器进行研究[9~11]，发现采用波纹管作为换热表面的换热器综合性能有显著
提高，作为强化传热的换热元件已在热电系统、化工、石油等行业获得成功应用
[12,13]。而遗憾的是迄今为止国内外对正弦型波纹管的研究甚少。
图1.1 (a) 波节管纵截面结构示意图 图 1.1 (b) 螺旋管纵截面结构示意图
Shohel Mahmud[14]等采用有限容积法对正弦波纹管的传热及流体阻力特性进
行数值模拟，得出理想情况下正弦波纹管内压降、速度及传热特性的分布规律，
研究表明，在层流范围内正弦波纹管的流体阻力系数随着波形的增大而增大，随
着雷诺数的增大而减小。
T. Nishimura[15]以40%的甘油水溶液为研究对象，只是研究了波距 S= 10mm，
波峰直径 Dmax=10mm，波谷直径 Dmin = 3mm 的正弦波纹管的流动特性及流态分
布，结果表明，当 Re<160 时，其阻力系数随着雷诺数的增加而减小;当Re 数在
160～200 区间时，阻力系数随着 Re 数的增加而增加；Re>200 时，阻力系数几乎
与Re 数无关。
1984 年，Minnesota 大学的 P.Souza Mendes 和E.M.Sparrow[16]对一系列的周期
性突扩突缩管道内，充分发展的流体流动阻力，压力分布、传热性能进行了全面
的实验研究。给出了在不同雷诺数，不同缩扩倾角和不同周期下，流动阻力变化
的曲线图，并与光管的流动阻力进行比较，得出在传热性能提高的同时，也伴随
着流动阻力大大增加的结论，最后，给出了在相同泵能和传热面积下，流动阻力
和传热系数的变化曲线图。
1985 年，Wisonsin-Milwaukee 大学的 R.S.Amano[17] 运用改进的 湍流模
型，对周期性垂直波纹通道内的层流和湍流换热进行数值模拟，给出了在不同长
宽比以及不同 Re 数下，流动阻力变化曲线和阻力关联式；表明长宽比对流动阻
力和传热性能存在重要的影响，并且指出在层流向湍流变化过程中，流动阻力和
正弦曲线波纹管换热与流动特性研究
4
传热性能变化剧烈。
2000 年，意大利的 Giampietro Fabbri[18~21] 对层流流动状态，一边为波纹形，
一边为光滑形的通道，在不同的雷诺数下的流动阻力和换热性能进行数值求解，
初始波纹表面的形状由一个五阶多项式函数确定，通道内的速度和温度分布由有
限单元法确定，结合遗传算法，对给定通道体积或压力降条件下的多项式参数进
行了优化，以使波纹通道内的传热效率最高。最后，还得到不同条件下波纹通道
的一些优化形状，但是，这些毫无规律的通道形状也使换热管的加工成本大大提
高，因此，实际工业应用价值并不大。
以上国外研究只有 Shohel 和T. Nishimura 涉及到正弦曲线管换热与流动特性
分析，但是并没有具体涉及到正弦曲线参数对换热与流动特性的影响，正弦曲线
波纹管管外换热特性研究，以及翅片安装位置对换热特性的影响分析，也没有给
出湍流状态下换热与阻力系数计算关联式。
自从 20 世纪 90 年代以后，我国不少学者开始对波纹管内换热性能与流动阻
力性能进行了研究，如西安交通大学、华南理工大学等都开展了这方面的研究工
作。
2001 年，西安交通大学曾敏、陶文铨等[22]用实验方法研究空气在 3种不同管
径19、25、32mm 的波纹管内流动与换热特性。管的外壁采用电加热，来模拟恒
热流的条件，测得不同工况下各种管径的平均对流换热系数和阻力系数，拟合出
所测的参数范围内的阻力和换热实验关联式，从研究结果来看，无论在哪种比较
条件下，波纹管均比相同管径下的光管综合换热性能强，但是由于实验的局限性，
他们的试验结果只适用于特定的波纹管管型和流动条件。
商福民等[23]对冷、热流体在波纹套管结构中的对流换热特性进行了实验研
究，并与光管进行对比分析。实验分为顺流和逆流两种工况，通过改变冷、热流
体的流量来对不同测点的温度信号进行适时采集，进而分析冷、热流体的对流换
热情况。结果表明，逆流布置时波纹管优于光管，不仅仅体现在传热温差上，更
重要的是在传热系数上。
俞慧敏，蔡业彬[24]也用实验的方法研究了三种换热管，即光管、螺纹管和波
纹管的换热性能，实验结果表明，波纹管的总传热系数最大，其次是螺纹管，最
小是光管；螺纹管的管内压降最大，其次是波纹管，最小是光管；管外压降三种
管型相差不大。
近几年随着计算机技术的提高以及计算流体力学和数值传热学的蓬勃发展，
数值模拟方法已经成为研究换热器的重要手段，采用数值模拟方法对各种换热器
的流场、温度场及压力场等进行研究，能够详尽地预测管外与管内流场流动和传
摘要：

I中文摘要换热器是热能交换的主要设备，被广泛地应用在石油、化工等工业生产的许多领域，任何热交换设备均是两种不同温度的流体在非物理接触条件下实现热量的交换，提高换热器的换热性能对于节能减排，资源高效利用具有重要的意义。紧凑型换热器由于具有质量轻，性能高的特点已经广泛应用在换热器行业。通过增强的表面来提高换热器的换热性能已经成功地在制冷，汽车和加工等行业中使用。迄今为止，在国内外部分专家学者对波纹管换热器进行过研究。然而，对于一种曲线光滑的正弦波纹管研究甚少，这也为国内在异型管换热领域留下很大的发展空间，相信不久的将来拥有自主知识产权的波纹管会广泛应用在工业生产的各个领域。本文引入正弦弯度参数，提...

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