强化传热之U型管

    影响流体传热的因素很多，如流体的运动状态、换热表面的几何形状、流体的物理性质等。工业上为了强化流体之间的换热，通常采用提高流速和改变换热表面的形状来实现换热的强化，该种做法就是强化换热。接下来我们会专门做一些强化传热的案例，供学习交流。

    一根长500mm，内径ϕ15.6mm的换热管，假设管壁温度为80℃。管内介质为空气，流速4m/s，入口温度25℃。我们考虑直管和U型管两种情形，对于U型管，流动的空气增加了离心力的扰动，使得局部速度会增大，一定程度上强化了传热，我们分别对两种情形进行计算，除了换热管形状不一样，其余参数保持一致。下图显示了直管和U型管的模型网格（网格划分很容易，这里不做冗述），为了减少网格的影响，两个模型采用的网格数量和尺寸规律保持一致，节点总数181492，最小正交质量0.7。

图1 直管模型网格

图2 U型管模型网格

    空气物性取缺省值，由流速可求得雷诺数约为5870，流态为湍流，我们选择SST k-ω湍流模型。入口为速度边界，出口为压力边界，表压为0Pa。湍流边界采用湍流强度和水力直径，湍流强度根据I=0.16(ReH)-0.125计算，水力直径0.0156m。边界条件的设置见下图，其中对于出口回流温度，可以随意设定，如果计算过程中没有出现回流，那么对温度计算结果没有影响，如果出现回流，那么温度计算结果可能不准确，我们将来找个具体的例来说明一下。壁面取无滑移边界，温度80℃，暂不考虑表面粗糙度的影响，按光管考虑；同时，不考虑壁面传热热阻，按零厚度壁面考虑，因此壁面材料选择什么都无所谓了。

图3 入口边界设置

图4 出口边界设置

图5 壁面边界设置

3.1 直管

    换热管进出口温度分别为25℃和51.57℃，温升26.57℃，据此可以求得换热管的数平均温差为：

    通过壁面的传热量为24.95W，而壁面总换热面积为0.024463404m2，因此，总的传热系数为：

    换热管进出口压力分别为15.21Pa和0Pa，因此总压降为15.21Pa。

    换热管内速度分布如下图所示，可以看出最高速度为5.6m/s。

图6 直管速度分布

3.2 U型管

    换热管进出口温度分别为25℃和56.52℃，温升31.52℃，据此可以求得换热管的数平均温差为：

    通过壁面的传热量为29.62W，而壁面总换热面积为0.024463404m2，因此，总的传热系数为：

    换热管进出口压力分别为19.15Pa和0Pa，因此总压降为19.15Pa。

    换热管内速度分布如下图所示，可以看出最高速度为5.9m/s。

图7 直管速度分布

    根据以上结果可以看出，U型管的换热性能高于直管，但是压降也更高，强化换热和流动压降是一对矛盾。相同的管径和换热面积下，U型管的传热系数比直管大了29%，传热量也高了约18%，而流动压降也提高了近26%。从速度云图上可以看出，直管的速度较为均匀，U型管在弯管处有明显的偏流，局部速度较大，这种流动状态增加了对流换热能力，与此同时不可避免地增加了压降。