圆管内层流入口段插入多孔板的传热性能分析

战洪仁， 韩冬雪， 张海松， 娄 岩， 杨 瑞， 吴 众

(沈阳化工大学 能源与动力工程学院， 辽宁 沈阳 110142)



圆管内层流入口段插入多孔板的传热性能分析

战洪仁， 韩冬雪， 张海松， 娄 岩， 杨 瑞， 吴 众

(沈阳化工大学 能源与动力工程学院， 辽宁 沈阳 110142)

通过数值模拟计算的方法，研究在圆管内插入的多孔板几何结构对层流入口段换热效果的影响，并通过场协同理论加以验证.结果表明：插入多孔板后管子的换热效果比光管圆管的换热效果好；在研究范围内，当孔隙率ε相同时，孔间距越大，换热效果越好；当孔间距相同时，孔隙率ε越大，换热效果越好.综上所述，在圆管内插入多孔板时，适当增大多孔板的孔隙率和孔间距，可以有效地提高圆管的换热效果.

多孔板； 场协同； 层流入口段； 内插物； 数值模拟

由于多孔介质内固体骨架与流体接触面积大且对流体扰动性强，一直受到研究人员的青睐.近年来，许多学者对管内插入多孔介质以达到强化管内对流换热的目的进行了研究，且主要关注层流的充分发展段.Pavel[1]已经证明了在管内充满多孔介质会使径向速度场变的均匀且阻力增大，降低了换热效率.刘伟[2-4]等人采取了在管内核心流填充多孔介质的方法进行强化传热，并对其进行了数值模拟分析，结果表明管内场协同性变好，壁面与流体之间的换热得到显著提高.但是在工程实际应用的换热器中，管内流体大多处在热入口段[5]，所以为了能更好地结合工程实际应用，本文研究了管内处于层流入口段部分插入多孔板后的传热特性，并对其进行了数值模拟，同时结合场协同理论进一步分析了其换热效果.

1 研究方法

1.1 物理模型

在长为1 000 mm、直径为96 mm的光滑圆管内插入直径为95 mm、厚度δ=5 mm的多孔板，第一个多孔板距管子入口为100 mm，其余多孔板间距离均为200 mm，且每个孔板间沿轴线方向顺时针相差72°；多孔板上的孔呈正三角排列，如图1所示，多孔板的具体参数如表1所示.

图1 多孔板物理模型

Fig.1 Model of perforated plate

表1 多孔板几何尺寸

Table 1 Geometric parameters of the perforated plate

多孔板编号孔数量孔间距s/mm孔隙率εa2660.29b2650.29c2640.29d2840.31e3040.33

注：多孔板外径D=95 mm；孔径d=10 mm.

1.2 数值模拟方法

数值模拟的方法：以空气为工作介质，Re的研究范围在480～1 440之间，计算采用压力和速度耦合的SIMPLE算法，差分格式均为一阶迎风格式，定义的收敛残差取10-6；入口为速度入口边界条件，出口为充分发展的边界条件，管壁为恒壁温条件，Tw=303 k，流体入口温度Tf=343 K；多孔板为绝热边界条件，特征温度为流体温度和壁面温度的平均值.

1.3 数学模型

控制方程如下[6]：

连续性方程是任何流动问题都必须满足的一个定律.当流体处于稳态，密度ρ为常数且不可压时，连续性方程如下：

(1)

同连续性方程一样，动量方程也是任何流体都必须满足的定律.在空间坐标系中，动量方程通常表示为：

(2)

(3)

(4)

在流动系统中包含有热交换时需使用能量守恒方程.对于牛顿流体，能量守恒方程表示为：

(5)

1.4 方法可行性验证

为了验证数值模拟方法的准确性，采用数值模拟方法得到的数据与经验公式对比，具体结果如图2所示.通过图2可知：采用数值模拟方法得到的Nu与理论的Nu最大误差为2.15 %，阻力系数f的最大误差为2.69 %.可见数值模拟方法可以很好地反应管中插入多孔板后流体的流动情况与换热特性.

图2 努塞尔数Nu和阻力系数f的误差分析

Fig.2 The error analysis ofNuand the resistance coefficientf

2 结果分析

2.1 插入5种多孔板后管内速度场

当Re=1 440时，分别在5根光滑圆管中插入a#、b#、c#、d#、e#多孔板各5个，插入多孔板后，管内流体的速度场分布见图3.从图3可以看出：当流体流经多孔板上的孔时，由于流体流通面积突然减小，流体速度迅速增加，产生明显的射流现象.在入口速度相同的情况下，a#、b#、c#的速度边界层逐渐增厚.这是因为在其他条件相同的情况下，孔间距大的多孔板最外沿的孔更靠近孔板边缘，所以当流体通过多孔板边缘孔时，由于射流作用使速度边界层遭到明显破坏，所以壁面处的热阻变小，传热系数变大.同时a#、b#、c#靠近轴线处的速度逐渐增大，这是由于孔间距越小多孔板上各开孔间的射流作用的相互影响越大，射流所产生的卷吸作用效果越明显.对比图3中c#、d#、e#，流体在流经第二块多孔板后有明显的速度边界层，且孔隙率越小，边界层越厚，速度越小.

图3Re=1 440时插入不同多孔板后对称面上速度云图

Fig.3 Velocity contour of insert different perforated plate atRe=1 440

2.2 管内强化传热特性分析

为了更好地分析多孔板结构对换热效果的影响，对光管插入不同孔间距的多孔板(a#、b#、c#)和插入不同孔隙率的多孔板(c#、d#、e#)的模型进行数值模拟，且与相同尺寸的光管圆管进行对比，对比结果如图4所示.

由图4可以看出：当光管圆管内插入多孔板后，随Re的增大，Nu变大，换热效果增强.这是因为当流体流经多孔板上的孔时，流体由于速度变化出现扰动，破坏近壁面处的边界层，从而减小了热阻，增强了换热效果.

通过图4(a)可以看出：在孔间距s为6 mm、5 mm、4 mm时，平均Nu值较光管圆管分别提高了32.5 %～42.4 %、25.1 %～36.1 %、14.8 %～31.4 %，说明孔隙率一定时，孔间距越大，换热效果增强的越明显；由图4(b)可以看出：在孔隙率ε为0.29、0.31、0.33时，平均Nu值较光管圆管分别提高了14.8 %～31.4 %、21.5 %～34.3 %、28.7 %～39.1 %，说明孔间距一定时，孔隙率越大，换热效果增强越显著.由此可以推断，孔间距对换热效果的影响大于孔隙率的影响.

图4 不同结构多孔板对换热效果的影响

Fig.4 Effect of different structure of perforated plate on heat transfer performance

2.3 场协同分析

通过对对流换热物理机制的研究，过增元提出了速度场和温度场的协同理论[7]，即当其他条件相同的情况下，速度矢量与温度梯度之间的夹角θ小于90°时，θ越接近0°，换热效果越好；θ大于90°时，θ越接近180°换热效果越好.具体公式如下：

从图5中(a)和(b)的对比可以看出：当流体流过多孔板后，近壁处会出现回流的旋涡，流速分布发生了明显的变化，温度梯度与速度矢量的夹角明显变小，协同性变好.

通过图6也可以看出：插入多孔板后，管内的协同性明显优于光管圆管.从图6(a)中可以了解到管内插入a#多孔板的协同性最好，c#协同性最差.从图6(b)中可以看出管内插入e#多孔板的协同性最优，c#协同性最差.综上所述，换热效果好的管子，速度矢量和温度梯度的协同性好，这一结论与文献[8]一致.

图5 插入多孔板前后圆管的速度矢量与温度等值线的对比

Fig.5 The comparison chart of the velocity vector and temperature isoline of the >circular tube before and after inserting the perforated plate

图6 插入不同结构的多孔板时管内协同角随Re变化情况

Fig.6 The change situation of the synergy angle in the pipeline along withRewhen inserting the perforated plate with different structure

3 结 论

通过对光管圆管层流入口段内插入不同结构多孔板的物理模型进行数值模拟，并对得出的结果进行分析对比得出以下结论：

(1) 插入多孔板后管子的换热效果比光管圆管的换热效果有明显提高，且速度矢量和温度梯度的协同性更好；

(2) 研究范围内，当孔隙率ε相同时，管内插入的多孔板孔间距越大，换热效果越好，努塞尔数Nu较光管圆管最大可提高42.4 %；当孔间距相同时，管内插入的多孔板孔隙率ε越大，换热效果越好，努塞尔数Nu较光管圆管最大可提高39.1 %；

(3) 在工程实际应用中，结合实际情况适当增大多孔板的孔隙率和孔间距，可有效提高圆管的换热效果.

[1] PAVEL B I，MOHAMAD A A.An Experimental and Numerical Study on Heat Transfer Enhancement for Gas Heat Exchangers Fitted with Porous Media[J].Journal of Heat and Mass Transfer，2004，47(23)：4939-4952

[2] 刘伟，明廷臻.管内核心流分层填充多孔介质的传热强化分析[J].中国电机工程学报，2008，28(32)：66-71.

[3] MING T Z，ZHENG Y，LIU J，et al.Heat Transfer Enhancement by Filling Metal Porous Medium in Central Area of Tubes[J].Journal of the Energy Institute，2010，83(1)：17-24.

[4] 明廷臻，周程，刘伟.管内填充环状金属多孔介质强化传热优化分析[J].武汉理工大学学报，2011，33(3)： 62-66.

[5] 黄志锋，刘伟，刘志春，等.管内层流入口段插入环状多孔介质的传热性能研究及其场协同分析[C]//中国工程热物理学会传热传质学2009年学术会议论文集，[出版地不详]：中国工程热物理学会，2009：1-6.

[6] 杨世铭，陶文铨.传热学[M].4版.北京：高等教育出版社，2006：205-207.

[7] 过增元，黄素逸.场协同原理与强化传热新技术[M].北京：中国电力出版社，2004：2-10.

[8] 周俊杰，陶文铨，王定标.场协同原理评价指标的定性分析和定量探讨[J].郑州大学学报(工学版)，2006，27(2)：45-48.

Analysis for Heat Transfer Characters of the Tubes Inserted with Perforated Plate in Developed Laminar Flow

ZHAN Hong-ren， HAN Dong-xue， ZHANG Hai-song， LOU Yan， YANG Rui， WU Zhong

(Shenyang Univercity of Chemical Technology， Shenyang 110142， China)

This work investigated the effect of geometrical structure of perforated plate inserted in the circular tube on heat transfer at the laminar entrance section by the method of numerical simulation for air flow medium,and verified the results with the field synergy principle. The results showed that the heat transfer of the tube inserted into the perforated plate is better than the that of light pipe.Under the conditions of this work,the heat transfer effect will be better with the increase of the hole spacingSat the same porosityε. And at the same hole spacingS,the heat transfer effect will be better with the increase of the porosityε. To sum up,the increase of the porosityεof porous plate and hole spacingSof the inserted the porous plate into the circular tube can improve the heat transfer effect of circular tube effectively.

perforated plate； field synergy principle； laminar entrance section； insert； numerical simulation

2015-05-06

国家自然科学基金面上项目(61473056)

战洪仁(1964-)，女，山东蓬莱人，副教授，博士，主要从事强化传热与节能技术的研究与应用.

2095-2198(2016)04-0339-05

10.3969/j.issn.2095-2198.2016.04.011

TK172

A