第10卷第4期 2010年8月
过程工程学报
The Chinese Jourmal of Process Engineering
螺旋半圆管夹套内流流动与传热的数值模拟
李雅侠"，吴剑华，葬斌”，战洪仁”
(1.天津大学化工学院，天津300072；2.沈阳化工大学机学院，辽宁沈阳110142)
VoL.10 No.4 Aug2010
摘要：应用CFD分析软件Fluent，在简化模型的基础上对螺旋半圆管夹套内的三维满流流动及换热进行了数值模拟。结果表明，夹套内与螺旋线乘直的横截面上，切线方向的时均速度等值线呈鞍状分布，弯曲外壁侧的速度梯度远大于直内壁侧；二次流为稳定的两涡结构，二次涡的中心位置在半圆形截面的2个尖角附近，由于二次流的作用，换热壁面上局部努塞尔数Nulea分布不均，最小值在壁面中心点处，最大值在中心点两侧，研究范图内，最小值为平均 00 率，夹套的换热能力增强，同时流动阻力也增大
关键调：螺旋半圆管夹套：数值模拟；满流：二次流；强化换热
中图分类号：TQ021.1;TQ021.3 1前言
文献标识码：A
反应釜是化工、医药、食品及染料等行业一种常见的设备，釜体内常伴有化学反应，严格的温度控制对取得好的反应效果和保证产品质量具有重要意义，因此反应釜往往配有夹套作为传热装置，夹套有很多种类型，如普通型、带扰流喷管型、带导流板型、媒螺旋半圆管型和波纹型等，其中螺旋半圆管夹套凭借结构简单紧凌、承载能力强、传热效率高及节约材料等优点应用越来越广泛
螺旋半圆管夹套所用管子的横截面为半圆形，纵向呈螺旋状扣在釜体外与其焊接，内部通过流体，目前关于媒旋半圆管夹套的报道主要集中在其应用和制作方面[34]，文献[5-7]采用实验方法对单一结构夹套的宏观传热进行了研究，但从微观上研究夹套内流体流动结构及换热特性的报道目前尚未见到.而深入了解夹套内的流场和温度场分布对合理设计夹套结构、提高夹套传热效率有重要意义(89，随着计算流体动力学的发展，数值模拟方法为研究换热设备性能提供了一种新手段，可缩短研发周期、降低费用.本研究采用计算流体动力学软件Fluent对螺旋半圆管夹套内三维滞流流动及换热进行了数值模拟，给出了夹套内的流场和温度场分布，从微观上分析了端旋半测管夹套内的换热机理，并研究了结构对流动及换热性能的影响
数值模拟 2
2.1物理模型
赚旋半圆管夹套的整体结构相当于横截面为半圆收稿日期：201004-01，修回日期：201006-21
基金项目：辽宁省高校创新团队基金资助项日(编号：2007T143
文章编号：1009-606X(2010)04-0644-06
形的螺旋管，因此，研究夹套内流体流动和传热的规律可转化为研究半圆形截面螺旋管内流体流动和传热的规律，如图1所示，由于目前还没有见到关于半阅形截面螺旋管内流体流动及换热的研究，因而本研究结果对螺旋管道的研究也具有重要意义
R
HI 0
Adiabatic outerwall
et
Do=9000 6=540g 20
Constant high temperature finner wall
图1螺旋半圆管夹套的简化物理模型
Fig.1 Simplified physical model of half-coil jacket
根据图1中简化的物理模型定义以下无量纲变量： Re=pVemd/μ, d,=2a/(2+), S=d/(2R), ^=H/(2元R.) 在实际工程应用中，一般螺旋半圆管夹套的螺旋半
径R,远大于螺距H和半圆管半径a.为了研究无量纲参数6和2对夹套内流体流动及换热的影响，并综合考数值计算的工作量和工程的实际应用，本研究取4种不同结构的半圆形截面螺旋管进行模拟计算，取值见表1，每种螺旋管的圈数取3圈
采用标准k-s模型(0，不可压缩流体在半圆形截面螺旋管内作定常流流动的时均动量方程和能量方程
作者简介：李雅伙(1977-)，女，辽宁省锦州市人，博士研究生，研究方向：流体力学及化工过程强化：吴剑华，通讯联系人，E-mail:sict_gk@yaboo.com.cn 万方数据