第３０卷第４期 ２０１６．１２ 沈阳化工大学学报 Ｖ０１．３Ｏ Ｎｏ．４ Ｄｅｃ．２０１６ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＳＨＥＮＹＡＮＧ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＣＨＥＭＩＣＡＬ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ 文章编号：２０９５—２１９８（２０１６）０４—０３３９—０５ 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） 摘要：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８相同时，孔间距越大，换热效果越好；当孔间距相同时，孔隙率 ￡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． 关键词： 多孔板； 场协同；层流入口段； 内插物；数值模拟 ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．２０９５—２１９８．２０１６．４．０１１０ 中图分类号：ＴＫＩ７２ 文献标识码：Ａ 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，许多学者对管内插人多孔介质以达 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…已经证明了在 板，第一个多孔板距管子人口为１００ ＩＴｌＩｎ，其余多 孔板间距离均为２００ ｍｎｌ，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． 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 Ｉ４ 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 流体大多处在热人口段－５ Ｊ，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 图１多孔板物理模型 Ｆｉｇ．１ Ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｐｅｒｆｏｒａ￣ｄ ｐｌａｔｅ 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． 表１多孔板几何尺寸 Ｔａｂｌｅ １ Ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ ｐａｒａｍｅｔｅ￣ｏｆ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒａｔｅｄ ｐｌａｔｅ １研究方法 １．１物理模型 在长为１ ０００ ＩＩＬｒｎ、直径为９６ ｎｌｌｉｌ的光滑圆 管内插入直径为９５ ｒａｉｎ、厚度艿＝５ ＩＴＩＩＴＩ的多孔 收稿日期：２０１５—０５—０６ 注：多孔板外径Ｄ＝９５ ｍｍ；￣Ｌ径ｄ＝１０ ｍｍ． 基金项目：国家自然科学基金面上项目（６１４７３０５６） 作者简介：战洪仁（１９６４一），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 沈阳化工大学学报 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～；人口为速度入 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，ｒｗ：３０３ ｋ，流体人口温度 ＝ 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 ： 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ｐ为常数且不 可压时，连续性方程如下： 丝＋ ＋Ｏ＿Ｅ：０ ．ａ ａＶ ａＺ ｌ司连续性方程一样，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： ＋ｄｉｖ（ｐｕｕ）： 一塑Ｏｘ＋ Ｏｘ＋ Ｏｙ＋ Ｏｚ＋ ＾ （２）、 ， ＋ｄｉｖ（ｐｖ ）： 一 ＋ ＋ ａＶ ＋ ＋ＦｒＯｙ Ｏｘ ＯＺ （３）、 ｏ（ｐ ｗ ）一＋ｄｉｖ（ｐｗ ）： 一 Ｏｚ＋ Ｏ＋ ｘＯｙ＋ Ｏｚ＋Ｆ 。 （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： 鱼衄＋一ｏ（ｐｕｒ） ＋Ｏ（ｐｖｒ）一＋．Ｏ（ｐｗＴ）一： Ｏｔ Ｏｘ Ｏｙ Ｏｚ Ｏ （ｋ ＯＴ）＋０ （ｋＯＴ＿＿Ｔ）＋Ｏ（ｋＯｃｄ ｄｃｃｐ ＋ＳＴ）（５） ｐ ｄｙ０ｌ ｄｚ１．４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，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，的误差分析 Ｆｉｇ．２ Ｔｈｅ ｅｒｒｏｒ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆＮｕ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｃｏｅｆｉｆｃｉｅｎｔ ｆ 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 近孑Ｌ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 第４期 战洪仁，等：圆管内层流入口段插入多孔板的传热性能分析 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． ■■■鞠豳—— 速度大小：０ ｌ Ｏ ２ ０ ３０ ４０ ５ ０．６ Ｏ ７ ０ ８０．９ １ １ １ 甜 酣 图３ Ｒｅ＝ｌ ４４０时插入不同多孑Ｌ板后对称面上速度云图 Ｆｉｇ．３ Ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｃｏｎｔｏｕｒ ｏｆ ｉｎｓｅｒｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐｅｒｆｏｒａｔｅｄ ｐｌａｔｅ ａｔ Ｒｅ＝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：当光管圆管内插人多孔板 后，随 Ｐ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孑Ｌ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：在孔问距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％，说明孑Ｌ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：在孔隙率占为０．２９、０．３１、０．３３时，平均 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孑Ｌ隙 率的影响． Ｒｅ （ａ）孔间距Ｓ对换热效果的影响 酣 （ｂ）孑Ｌ隙率￡对换热效果的影响 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 ，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０小于９０。时，０越接近０。，换热效果越好；０ 大于９０。时，０越接近１８０。换热效果越好．具体公 式如下： ０・Ｖ丁 ：＿＝＝＃———————————一 Ｉ Ｉ・Ｉ Ｉ 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：插人多孔板后，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． ３４２ 沈阳化工大学学报 ２０１６年 （ａ）插人多孔板后相同入口速度、相同位置处的速度矢量和温度等值线分布图 ＝～－：．～～。 －＝＝．．． ．：－一－－ｓＳｇ－－～－一４ ——一 三兰ｉ兰 ～ ～～～ （ｂ）光管圆管相同人口速度相同位置处的速度矢量和温度等值线分布图 图５插人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 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； Ｒｅ （ａ）插入不同孔间距的多孔板时管内协同角触ｅ变化情况 （２）研究范围内，当孔隙率 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 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孑Ｌ间距，可有效提高圆管 的换热效果． Ｒｅ （ｂ）插入不同孔隙率的多孔板时管内协同角 变化情况 参考文献： ［１］ＰＡＶＥＬ Ｂ Ｉ，ＭＯＨＡＭＡＤ Ａ Ａ．Ａｎ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｎｄ Ｎｕｍｅｒａｉｃａｌ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｈｅａｔ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ 图６插入不同结构的多孔板时管内 协同角随ＲＰ变化情况 Ｆｉｇ．６ Ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｎｅｒｇｙ ａｎｇｌｅ ｉｎ ｔｈｅ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ａｌｏｎｇ ｗｉｔｈ Ｒｅ ｗｈｅｎ ｉｎｓｅｒｔｉｎｇ ｔｈｅ ｆｏｒ Ｇａｓ Ｈｅａｔ Ｅｘｃｈａｎｇｅｒｓ ＦｉＲｅｄ ｗｉｔｈ Ｐｏｒｏｕｓ Ｍｅｄｉａ 『Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｅａｔ ａｎｄ Ｍａｓｓ Ｔｒａｎｓｆｅｒ，２００４，４７ （２３）：４９３９—４９５２ ｅｒｆｏｒａｔｅｄ ｐｌｐａｔｅ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ［２］ 刘伟，明廷臻．管内核心流分层填充多孑Ｌ介质的传 第４期 战洪仁，等：圆管内层流入口段插入多孑Ｌ板的传热性能分析 ３４３ 热强化分析［Ｊ］．中国电机工程学报，２００８，２８ （３２）：６６—７１． ［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． ［３］ ＭＩＮＧ Ｔ Ｚ，ＺＨＥＮＧ Ｙ，ＬＩＵ Ｊ，ｅｔ ａ１．Ｈｅａｔ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ｂｙ Ｆｉｌｌｉｎｇ Ｍｅｔａｌ Ｐｏｒｏｕｓ Ｍｅ￣ｕｍ ｉｎ ［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． Ｃｅｎｔｒａｌ Ａｒｅａ ｏｆ Ｔｕｂｅｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｅｎｅｒｇｙ Ｉｎ－ ｓｉｆｔｕｔｅ，２０１０，８３（１）：１７—２４． 黄素逸．场协同原理与强化传热新技术 ［７］ 过增元，［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 ［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． 定性分析和定量探讨［Ｊ］．郑州大学学报（工学 版），２００６，２７（２）：４５—４８． ［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 Ａｎａｌｙｓｉｓ ｆｏｒ Ｈｅａｔ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｔｕｂｅｓ Ｉ ｎｓｅｒｔｅｄ 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 １ １０１４２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：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 ｗｉｈ ｔｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ｓｙｎｅｒｇｙ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｈｅａｔ ｒａｎｓｆｅｒ ｏｆ ｔｔｈｅ ｔｕｂｅ ｉｎｓｅｒｔｅｄ ｉｎｔｏ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒａｔｅｄ ｐｌａｔｅ ｉｓ ｂｅｔｔｅｒ ｔｈａｎ ｔｈｅ ｔｈａｔ ｏｆ ｌｉｇｈｔ ｐｉｐｅ．Ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉ． ｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｉｓ ｗｏｒｋ，ｔｈｅ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｅｆｆｅｃｔ ｗｉｌｌ ｂｅ ｂｅａｅｒ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｈｅ ｈｏｌｅ ｓｐａｃｉｎｇ Ｓ ａｔ ｔｔｈｅ ｓａｍｅ ｐｏｒｏｓｉｔｙ ．Ａｎｄ ａｔ ｔｈｅ ｓａｒｎｅ ｈｏｌｅ ｓｐａｃｉｎｇ Ｓ．ｔｈｅ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｅｆｆｅｃｔ ｗｉｌｌ ｂｅ ｂｅｔｔｅｒ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｒｏｓｉｔｙ ．Ｔｏ ｓｕｍ ｕｐ．ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆｔｈｅ ｐｏｒｏｓｉｙ ｔ８ ｏｆｐｏｒｏｕｓ ｐｌａｔｅ ｎｄ ａｈｏｌｅ ｓｐａｃｉｎｇ Ｓ ｏｆｔｈｅ ｉｎｓｅｒｔｅｄ ｈｅ ｔｐｏｒｏｕｓ ｐｌａｔｅ ｉｎｔｏ ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｌａｒ ｔｕｂｅ Ｃａｎ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｃｉｒｃｕｌａｒ ｔｕｂｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｅｒｆｏｒａｔｅｄ ｐｌａｔｅ； ｆｉｅｌｄ ｓｙｎｅｒｇｙ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ；ｌａｍｉｎａｒ ｅｎｔｒａｎｃｅ ｓｅｃｔｉｏｎ； ｉｎｓｅｒｔ； ｎｕｍｅｒｉ— ｅａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
