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1普通蛇管及波纹式蛇管结构
蛇管式换热器中的换热管是由金属或非金属管子按需要弯曲成长的蛇形管，是将一根内径为25mm的铜质长直管弯成4段，其弯曲处曲率半径为40mm.蛇管结构是将长直铜管外表面沿径向处理成大小圆弧相切，内外形如波纹状的薄壁管子。
2数值模拟
2.1普通蛇管的数值模拟
为了验证本文模型和计算方法的可行性，首先按照文献[4]提供的方法对光滑蛇管管内湍流流动和换热情况进行数值模拟。内径D=25mm，单段长度L=500mm，弯管部分曲率半径为40mm的光滑蛇管，对不同流速工况下，进行恒壁温加热的模拟实验，。Nu模拟值与理论值的偏差较小，在5以内。模拟结果满足工程要求的精度，因此该模拟采用的数学模型和计算方法是可行的，可用对换热效果进行验证。
2.2波纹式蛇管计算模型
为了验证波纹式蛇管的换热效果，将之与相同条件（尺寸，入口，边界条件）下的光滑蛇管进行比较，模拟采用4种不同D2/D1的波纹管，分别记为2#，3#，4#，5#波纹管。其中波纹管直线段直径D1=25mm，波峰直径D2分别为35，40，45，60mm.波纹管直线段长度L1=12mm，弧形段长度L2=20mm.L1/L2=0.6，文献研究表明，波纹间距L1/L2的变化对波纹通道内传热的影响可以忽略，而波纹高度对传热性能的影响相当显着。
因此，有必要对不同波纹高度的波纹管进行模拟研究。
光滑蛇管记为1#管，其内径D=25mm，单段直管长度L=500mm，弯管部分曲率半径为40mm.
2.3数值计算方法
首先使用fluent前处理软件gambit建立几何模型，并用Tgrid方法划分六面体网格，边界条件定义为流体速度入口和自由流出口，在常物性和宏观能量守恒的假设条件下，管内流体的流动和热量传递满足连续性方程，动量方程以及能量方程。湍流模型采用标准k！模型，用SIMPLEC算法处理速度和压力的耦合问题。管壁设置为恒壁温加热。
入口速度大小分别取u=0.09，0.12，0.16，0.24，0.32，0.40m/s.入口处水流温度为293K，壁面温度恒定为353K.
3波纹式蛇管数值模拟结果与数据分析
波纹式蛇管的换热效率较光滑蛇管有显着的提高，而且随着波纹高度的增加，换热效果愈加明显。换热效率分别为光管的1.14，1.24，1.31，1.30倍。但是当波纹高度比D2/D1高于1.8时，如4#管，出口处管中心流体的温度和波纹高度比为1.8时的3#管相差不多，这说明虽然增加波纹高度能增大换热面积，提高换热效率，但是波纹高度应该控制在一个合理的范围内，如果超出这个范围，那么换热效率提高将不那么明显，反而增加了流体的阻力，这与高志伟[5]等人通过实验方法得出的结论也有一定契合，说明了数值模拟方法可以对实验有一定验证作用，并可以在某些复杂情况下代替部分实验，减少实验次数。
下面通过选取光滑管和波纹管的截面速度来分析得出以上结论的原因。光管截面流道速度梯度较小，速度分布较均匀，光管中心处速度最大，由于受到壁面剪切应力的作用，近壁处的速度较小，并且越靠近壁面速度越小，直到壁面的速度为0，这与参考文献[6]的结论是一致的。而波纹管由于特殊的波峰与波谷设计，使管内流动分为等直径流速型和弧形流速型，流体沿流动方向在波峰处速度降低，静压增大；波谷处速度增加，静压减小。这样流体是在反复改变速度及压力梯度下进行的，产生的漩涡冲刷着边界层，极大地破坏了边界层的形成。
这种周期性的截面变化增加了靠近管壁附近的湍流强度和湍流给热能力，使层流和过度流达到湍流传热，从而提高了传热效率。其管外相应形成的波纹表面不但扩大了传热面积，也增加了扰动，使传热效果显着提高。但是当波峰直径太大，如4#管，会造成波峰区域弧形段内流体流速过小，导463第37卷第4期化工机械致主流体无法穿过漩涡与壁面进行热量交换，波纹不能对流体进行有效扰动，影响了强化传热的作用。
4结论
4.1笔者对光滑管管内湍流流动和换热进行了数值模拟，模拟结果与经典结论的偏差很小，验证了所用数学模型和计算方法的可行性。
4.2波纹管由于特殊的波峰与波谷设计，使管内流体是在反复改变速度及压力梯度下进行的，极大地破坏了边界层的形成。增加了靠近管壁附近的湍流强度和湍流给热能力，使层流和过度流达到湍流传热，从而提高了传热效率。
4.3波纹高度比D2/D1不宜太高，否则波纹无法对流体进行有效的扰动，模拟结果表明D2/D1应保持在1.8以下。
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发表于 2014-4-19 09:39:47
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