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【摘 要】建立沸腾换热数学模型和内螺纹管三维物理模型，运用fluent中UDF对三种不同螺距的内螺纹管沸腾换热进行数值模拟，从换热系数h、管内气相含量、阻力系数f三个方面对内螺纹管的沸腾传热和流动特性进行了对比研究，得出结论：在低雷诺数层流状态下（Re=1200），当内径为12mm的内螺纹管的螺距从100mm减小为30mm时，管内扰动增强有利于换热但阻力增大，气相含量从31%增加到45%不利于换热但阻力减小，而气相含量的影响明显大于扰动的影响，使得总的换热系数基本不变，而阻力系数从1.3左右减小到了0.8左右，综合换热性能变好。
【关键词】内螺纹管；沸腾换热；数值模拟；UDF
1.前言
在能源危机日益严重的当今，强化换热正被越来越多的人所研究。内螺纹管作为一种有效的强化换热手段，具有換热系数高、易加工、造价低等优点。对不同形状的内螺纹管，已有不少人从实验和数值模拟的角度进行了一定的研究。张定才（1）对螺纹管内流动换热进行了数值模拟，从螺旋角和螺纹牙数两方面对对流换热的影响做了研究，结果表明，螺旋角越大，换热效果越好，螺纹牙数对换热影响不大。程立新等（2）分别对水在垂直上升内螺纹管和光管中的流动沸腾传热进行了实验。结果表明，内螺纹管中的流动沸腾换热系数为光管的1.62 倍，而且内螺纹管中的起始沸点小于光管中的起始沸点。Shome和Jensen（3）分别通过计算和实验系统地研究了螺纹管内层流流动与换热特性，发现高肋管阻力较光管增大50%，而低肋管则增大了10%-15%。 熊少武等（4）应用FLUENT软件对制冷剂R134a在光管和横纹槽管水平管外沸腾传热进行三维数值模拟，得到其饱和泡状沸腾过程中体积含气率的分布规律，并比较了它们的换热系数。
由于螺纹对流体的扰动使管内产生复杂的二次流，对流体边界层和污垢层的形成产生很强的冲刷作用，致使管内流体的换热系数得到显著提到，这是螺纹管能强化换热的主要原因。关于螺纹管内流动换热的实验很多，模拟却很少，对沸腾换热的数值模拟更少，所以本文对内螺纹管中的沸腾换热进行数值模拟，探索其流动换热规律。
2.物理模型与数学模型
2.1物理模型
螺纹管内流体模型的主要参数为螺纹管内径d、螺纹肋的螺距l、螺纹肋的牙数Ns和螺纹肋的高度e。螺纹肋的几何参数为肋顶夹角a、肋顶厚度t1和肋底厚度t2。其中，d=12mm、l=100mm、60mm、30mm；Ns=20；e=0.3mm；a=40°；t1=0.3mm。文中取100mm长的管子进行模拟研究。
2.2数学模型
本文结合管内沸腾换热的流动和传热情况，对流经管内的流体进行如下的假设：
（l）假设管内的流动为非稳态不可压缩流动；
（2）当流体温度达到一定值时发生相变传热；
（3）假设壁面为无滑移边界条件；
（4）考虑重力场的影响；
（5）不考虑流体流动时的粘性耗散作用所产生的热效应。
由于fluent中没有专门模拟沸腾换热的模型，所以本文通过用户自定义函数UDF来实现。沸腾换热的UDF 程序主要包括：从液相向气相转化的质量、从气相向液相转化的质量和相变潜热3 部分。
3.离散方法与数值方法
3.1离散方法
本文用ICEM软件对管内流体进行网格划分。首先对入口截面进行面网格划分，由于靠近管壁部分会出现边界层，所以用O网格对壁面附近流体进行加密处理。中间流体影响不大，为了节省计算时间，在中间流体区域自动生成较稀疏的四边形结构化网格。最后按照螺纹管的旋转方向对面网格进行旋转拉伸从而生成六面体结构化网格。
3.2数值方法
（1）进口为速度进口边界条件，为0.03m/s。进口流体为水，温度为372K，气相含量为零。
（2）出口为压力出口边界条件，为0Pa，参考压力为大气压。设定上部出口的汽相回流为零，回流温度为372K。
（3）壁面为wall边界条件，采用恒壁温加热方法，温度为400K。
（4）UDF中设定相变温度为373K。
4.计算结果与分析
4.1计算结果
以进口速度为0.03m/s（Re=1200）三种螺纹管内流动为例，其速度场、气相分布对比如下：
图1显示了不同螺距的螺纹管内的流场分布。螺纹管明显加强了管内的扰动，越靠近螺纹壁面扰动越强烈。从（a）、 （b）、（c）的对比可以看出，随着螺距的缩小，扰动从仅在壁面附近向中心处扩展，这促使管内不同流层流体混合，有利于换热。
（a）l=100mm （b） l=60mm （c） l=30mm
图1 内螺纹管横截面流场图
图2显示了不同螺距的螺纹管内的气相分布。越靠近壁面处气相含量越高，在壁面附近形成了一层汽膜，而这会导致换热恶化，换热系数变小。随着螺距的减小，气相含量明显增加。显示了离入口20mm和60mm的截面处流场图。在靠近螺纹管壁面处产生复杂的二次流，扰动强烈，图2（a）中在离入口20mm处远离壁面的中心流体基本上沿着管子流动，扰动很小，图2（b）中在离入口60mm处远离壁面的中心流体在沿着管子流动的同时还有较明显的旋转流动，扰动较强。
（a）l=100mm （b）l=60mm （c）l=30mm
4.2数据分析
4.2.1参数定义
气相含量、阻力系数
式中：分别为气相和液相的体积，m3；μ为流体的动力粘度，Pa.s。
4.2.2不同螺距的内螺纹管的换热性能与阻力性能比较
计算结果显示了三种螺纹管气相含量随加热时间的增加而逐渐上升，在加热到1.5s时，气相含量基本趋于稳定，分别为45%、37%、31%。随着螺距的减小，管内气相含量明显增加。这是因为在传热过程中传热系数和阻力系数发生变化，变化趋势如下图。 图3显示了三种螺纹管的表面换热系数h随加热时间的变化。在0.3s之前，随着螺距的减小，换热系数增大，这是因为螺距的减小加强了扰动，强化了换热效果。在0.5s之前，三种螺纹管的换热系数都是增大的，这是因为管内沸腾产生的气泡同样加强了扰动，有利于换热的进行。在0.5之后，换热系数急剧下降，这是由于管内气相增多，壁面形成了气膜，致使换热变差。在1.5s秒之后，不同螺距的螺纹管的换热系数基本相同，维持在1100W.m-2.k-1左右，这是由于气相含量和扰动对换热共同作用的结果。
图4显示了阻力系数f随加热时间的变化。在0.5s之前阻力系数随加热时间的增加而增大，这是因为气泡的产生加强了管内流体的扰动，在0.5s之后阻力系数随加热时间的增加而减小，則是由于壁面上气膜的产生。螺距100mm的螺纹管的阻力系数比螺距30mm的螺纹管的阻力系数大0.5，即从1.3左右减小到了0.8左右，这是由于气相含量对管内阻力的影响较大。
5.结论
本文对内螺纹管层流状态下的沸腾换热和流动进行了三维数值模拟，得出如下结论：
（1）在低雷诺数层流状态下（Re=1200），当内径为12mm的内螺纹管的螺距从100mm减小为30mm时，管内扰动增强有利于换热但阻力增大，气相含量从31%增加到45%不利于换热但阻力减小，而气相含量的影响明显大于扰动的影响，使得总的换热系数基本不变，而阻力系数从1.3左右减小到了0.8左右，综合换热性能变好。
（2）沿着流动方向，扰动逐渐增强，气相含量也相应增大。
参考文献
[1] 张定才. 管内螺旋流动对流传热的数值模拟[C].传热与流动问题的多尺度数值模拟：方法与应用， 北京： 科学出版社， 2009：520-529.
[2] 程立新，陈听宽，罗毓珊.内螺纹管中流动沸腾强化传热研究[J].化学工程，1999，27（4）：14-16.
[3] Shome B， Jensen M K. Numerical investigation of laminar flow and heat transfer in internally finned tubs[J]. Journal of enhanced heat transfer，1996，4：35-51.
[4] 熊少武，罗小平，黄岗.水平管外沸腾强化换热的数值模拟与场协同分析[J].制冷与空调，2008，8（1）：19-23.
【关键词】内螺纹管；沸腾换热；数值模拟；UDF
1.前言
在能源危机日益严重的当今，强化换热正被越来越多的人所研究。内螺纹管作为一种有效的强化换热手段，具有換热系数高、易加工、造价低等优点。对不同形状的内螺纹管，已有不少人从实验和数值模拟的角度进行了一定的研究。张定才（1）对螺纹管内流动换热进行了数值模拟，从螺旋角和螺纹牙数两方面对对流换热的影响做了研究，结果表明，螺旋角越大，换热效果越好，螺纹牙数对换热影响不大。程立新等（2）分别对水在垂直上升内螺纹管和光管中的流动沸腾传热进行了实验。结果表明，内螺纹管中的流动沸腾换热系数为光管的1.62 倍，而且内螺纹管中的起始沸点小于光管中的起始沸点。Shome和Jensen（3）分别通过计算和实验系统地研究了螺纹管内层流流动与换热特性，发现高肋管阻力较光管增大50%，而低肋管则增大了10%-15%。 熊少武等（4）应用FLUENT软件对制冷剂R134a在光管和横纹槽管水平管外沸腾传热进行三维数值模拟，得到其饱和泡状沸腾过程中体积含气率的分布规律，并比较了它们的换热系数。
由于螺纹对流体的扰动使管内产生复杂的二次流，对流体边界层和污垢层的形成产生很强的冲刷作用，致使管内流体的换热系数得到显著提到，这是螺纹管能强化换热的主要原因。关于螺纹管内流动换热的实验很多，模拟却很少，对沸腾换热的数值模拟更少，所以本文对内螺纹管中的沸腾换热进行数值模拟，探索其流动换热规律。
2.物理模型与数学模型
2.1物理模型
螺纹管内流体模型的主要参数为螺纹管内径d、螺纹肋的螺距l、螺纹肋的牙数Ns和螺纹肋的高度e。螺纹肋的几何参数为肋顶夹角a、肋顶厚度t1和肋底厚度t2。其中，d=12mm、l=100mm、60mm、30mm；Ns=20；e=0.3mm；a=40°；t1=0.3mm。文中取100mm长的管子进行模拟研究。
2.2数学模型
本文结合管内沸腾换热的流动和传热情况，对流经管内的流体进行如下的假设：
（l）假设管内的流动为非稳态不可压缩流动；
（2）当流体温度达到一定值时发生相变传热；
（3）假设壁面为无滑移边界条件；
（4）考虑重力场的影响；
（5）不考虑流体流动时的粘性耗散作用所产生的热效应。
由于fluent中没有专门模拟沸腾换热的模型，所以本文通过用户自定义函数UDF来实现。沸腾换热的UDF 程序主要包括：从液相向气相转化的质量、从气相向液相转化的质量和相变潜热3 部分。
3.离散方法与数值方法
3.1离散方法
本文用ICEM软件对管内流体进行网格划分。首先对入口截面进行面网格划分，由于靠近管壁部分会出现边界层，所以用O网格对壁面附近流体进行加密处理。中间流体影响不大，为了节省计算时间，在中间流体区域自动生成较稀疏的四边形结构化网格。最后按照螺纹管的旋转方向对面网格进行旋转拉伸从而生成六面体结构化网格。
3.2数值方法
（1）进口为速度进口边界条件，为0.03m/s。进口流体为水，温度为372K，气相含量为零。
（2）出口为压力出口边界条件，为0Pa，参考压力为大气压。设定上部出口的汽相回流为零，回流温度为372K。
（3）壁面为wall边界条件，采用恒壁温加热方法，温度为400K。
（4）UDF中设定相变温度为373K。
4.计算结果与分析
4.1计算结果
以进口速度为0.03m/s（Re=1200）三种螺纹管内流动为例，其速度场、气相分布对比如下：
图1显示了不同螺距的螺纹管内的流场分布。螺纹管明显加强了管内的扰动，越靠近螺纹壁面扰动越强烈。从（a）、 （b）、（c）的对比可以看出，随着螺距的缩小，扰动从仅在壁面附近向中心处扩展，这促使管内不同流层流体混合，有利于换热。
（a）l=100mm （b） l=60mm （c） l=30mm
图1 内螺纹管横截面流场图
图2显示了不同螺距的螺纹管内的气相分布。越靠近壁面处气相含量越高，在壁面附近形成了一层汽膜，而这会导致换热恶化，换热系数变小。随着螺距的减小，气相含量明显增加。显示了离入口20mm和60mm的截面处流场图。在靠近螺纹管壁面处产生复杂的二次流，扰动强烈，图2（a）中在离入口20mm处远离壁面的中心流体基本上沿着管子流动，扰动很小，图2（b）中在离入口60mm处远离壁面的中心流体在沿着管子流动的同时还有较明显的旋转流动，扰动较强。
（a）l=100mm （b）l=60mm （c）l=30mm
4.2数据分析
4.2.1参数定义
气相含量、阻力系数
式中：分别为气相和液相的体积，m3；μ为流体的动力粘度，Pa.s。
4.2.2不同螺距的内螺纹管的换热性能与阻力性能比较
计算结果显示了三种螺纹管气相含量随加热时间的增加而逐渐上升，在加热到1.5s时，气相含量基本趋于稳定，分别为45%、37%、31%。随着螺距的减小，管内气相含量明显增加。这是因为在传热过程中传热系数和阻力系数发生变化，变化趋势如下图。 图3显示了三种螺纹管的表面换热系数h随加热时间的变化。在0.3s之前，随着螺距的减小，换热系数增大，这是因为螺距的减小加强了扰动，强化了换热效果。在0.5s之前，三种螺纹管的换热系数都是增大的，这是因为管内沸腾产生的气泡同样加强了扰动，有利于换热的进行。在0.5之后，换热系数急剧下降，这是由于管内气相增多，壁面形成了气膜，致使换热变差。在1.5s秒之后，不同螺距的螺纹管的换热系数基本相同，维持在1100W.m-2.k-1左右，这是由于气相含量和扰动对换热共同作用的结果。
图4显示了阻力系数f随加热时间的变化。在0.5s之前阻力系数随加热时间的增加而增大，这是因为气泡的产生加强了管内流体的扰动，在0.5s之后阻力系数随加热时间的增加而减小，則是由于壁面上气膜的产生。螺距100mm的螺纹管的阻力系数比螺距30mm的螺纹管的阻力系数大0.5，即从1.3左右减小到了0.8左右，这是由于气相含量对管内阻力的影响较大。
5.结论
本文对内螺纹管层流状态下的沸腾换热和流动进行了三维数值模拟，得出如下结论：
（1）在低雷诺数层流状态下（Re=1200），当内径为12mm的内螺纹管的螺距从100mm减小为30mm时，管内扰动增强有利于换热但阻力增大，气相含量从31%增加到45%不利于换热但阻力减小，而气相含量的影响明显大于扰动的影响，使得总的换热系数基本不变，而阻力系数从1.3左右减小到了0.8左右，综合换热性能变好。
（2）沿着流动方向，扰动逐渐增强，气相含量也相应增大。
参考文献
[1] 张定才. 管内螺旋流动对流传热的数值模拟[C].传热与流动问题的多尺度数值模拟：方法与应用， 北京： 科学出版社， 2009：520-529.
[2] 程立新，陈听宽，罗毓珊.内螺纹管中流动沸腾强化传热研究[J].化学工程，1999，27（4）：14-16.
[3] Shome B， Jensen M K. Numerical investigation of laminar flow and heat transfer in internally finned tubs[J]. Journal of enhanced heat transfer，1996，4：35-51.
[4] 熊少武，罗小平，黄岗.水平管外沸腾强化换热的数值模拟与场协同分析[J].制冷与空调，2008，8（1）：19-23.