异型管强化换热模拟
本文摘要（由AI生成）：
本文通过数值模拟的方法，研究了横向波纹管在周期性流动换热中的强化换热性能。文中首先介绍了研究背景和意义，然后详细描述了建模与网格划分、边界条件与求解设置的过程。计算结果表明，采用 3 方程模型进行模拟是可行的，阻力系数和努塞尔数的计算结果与试验关联式相差不大。文中还给出了横向波纹管的进出口温度、壁面平均温度、压力梯度迭代收敛曲线、努塞尔数和阻力系数等关键结果，并基于这些结果计算得到了同功耗换热强化评价指标 PEC。最后给出了参考文献。
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1 前言
换热器在化工、能源行业是非常普遍也是非常重要的部件，换热器的换热性能和体积有紧密的联系，换热性能较差，则设备体积会庞大，因此，提高换热器的性能（换热系数）是非常有意义的。异型管 (横纹管、螺纹管等) 由于具有强化换热性能好，易于加工制造，便于在役检测及维修等特点，被广泛用于各种管壳式换热器之中[1]。今天，我们做一个简单的波纹管强化换热案例。2 建模与网格
创建如下的换热管段，其中各参数为：p=17mm，e=0.68mm，d=17mm。读者朋友可以发现，这个管段长度和管径之比是非常小的，通常如果采用进口边界和出口边界，这个管段长度是远远不够的，因为要考虑入口段长度的影响。本案例我们采用周期性边界，这种处理方式常常用在换热设备的基本换热单元性能的模拟，如果对整个换热设备进行离散化，那么需要的计算代价是很大的，对于基本换热单元的研究也没有这个必要。划分多面体网格，注意为了后续和湍流模型适应，我们需要调整第一层网格高度，使得y+≈1（可能存在迭代，试算后若不合格再返回网格划分），节点数约102.4万，最小正交质量0.4。我们在fluent meshing模块划分网格，因此在划分面网格后就可以指定周期性边界（一对面，分别为进口和出口）。3 边界条件与求解设置
本案例考虑到波纹结构附近流体可能存在层流到湍流的过渡流动，因此我们采用3方程湍流模型，对于层流到湍流的过渡问题更擅长。壁面设置常热流密度，也就是第二类边界条件，热流密度值50000W/m2。周期性边界按如下设置，本案例我们定义质量流量，对于很多实际问题，流量通常是已知。定义流量后，无需再定义压力梯度，该值由迭代计算产生。设置上游主流温度，这实际上可以认为是一个基准温度，设置流动方向（注意不能弄错）。根据实际需求，设置松弛因子和迭代次数，通常采用默认值就可以。注意，启用周期性边界后，软件会自动定义两个变量periodic-bulk-temperature-ratio和periodic-pressure-gradient，前者用在常温边界条件，后者即为压力梯度，这两个变量可以用于创建监视器，以监测计算收敛情况。4 计算结果
为了验证采用3方程模型的可行性，我们先用光滑管进行模拟，并将努塞尔数和阻力系数同参考文献的试验关联式结果进行对比，如下表，可以看出阻力系数和试验关联式相差2.22%，努塞尔数和试验关联式相差7.1%，结果还是相当可靠的。我们先看一下横向波纹管压力梯度迭代收敛曲线，可以看出达到了收敛状态，约为-858.32Pa/m，流动方向上压力是减小的，因此梯度是负值。我们看一下横向波纹管的进出口温度（计算方法参考之前关于周期性流动换热的模拟案例），温升约为16.3K。基于上述结果，可以计算得到横向波纹管的努塞尔数Nu为90.49，阻力系数f为0.0596，在强化换热过程中，换热强化和流动阻力增加常同时存在且流动阻力的增加幅度更大。为综合考虑二者的影响，采用同功耗换热强化评价指标。该指标对比了相同功耗下强化换热管和光滑管的强化换热性能，PEC > 1 表明强化换热管具有更好的综合性能。本案例波纹管的PEC数为1.49。
