圆形螺旋管流动和传热特性研究2222

毕业设计论文

姓 名： 111111 学 号： 000000000 学 院： 能源与动力工程学院 专 业： 热能与动力工程 题 目： 圆形螺旋管流动和传热特性研究

指导教师：

2012 年 6 月

摘 要 摘 要

螺旋管在热力、化工、石油及核工业等领域得到了广泛应用，螺旋管换热器也具有结构简单、传热系数高等优点。它的传热系数比直管高，在相同空间里可得到更大的传热面积，布置更长的管道，减少了焊缝，提高了安全性。尽管螺旋管的流体阻力增大，压降增大，但是其传热效率的提高导致能量的节约要高于因阻力增大而消耗的能量。因此，螺旋管在许多行业得到普遍应用而倍受青睐。在工程应用中，由于工艺要求，往往需将流体加热至规定的温度范围，传热是其中的基本单元操作，所以有必要对螺旋管的传热与流动特性进行研究。从理论知识我们知道由于向心力的作用，流体从管中心部分由螺旋管内侧流向外侧壁面，因而造成了螺旋管内侧的低压区。在压差作用下，流体从外侧沿着圆管的上部和下部壁面流回内侧。这种流动是与管的轴向垂直的，也就是与流体的主体流动相垂直，称为二次流。流体的这种二次流与轴向主流复合成螺旋式的前进运动。这样，对于流体的传热传质，不仅可依靠流体的径向扩散，还有径向二次流的作用，相当于边界层进行了破坏，增强了流体传质。本文采用数值模拟的方法对圆形螺旋管的截面管进行分析，在应用FLUENT软件，对圆形螺旋管道内流体紊流流动状态下的流场进行数值模拟，分析圆形螺旋管内流场及影响因素，包括速度的分布、温度以及二次流对流场的影响。本文首先概述了圆形螺旋管的应用背景及分析意义，对GAMBIT及FLUENT进行了简单的介绍，而后进行了分析。通过在GAMBIT中建模以及划分网格定义边界条件，在FLUENT中设定初始条件进行数值模拟，进一步分析在紊流条件下流体在圆形螺旋管中换热的影响因素。通过数值模拟得出了结论，入口雷诺数对圆形螺旋管的整个流场影响较大，管道内流体压降与流体流速大小成正比。速度越大圆形螺旋管中流体压降越大。由此，我们可以增大管道雷诺数从而达到改善流场流动的目的。同时，流体入口速度的大小又影响整个管子中流体的二次流的流型。因此，选择合理的入口速度，可以使流体在流场中达到优化配置。

关键词: 圆形螺旋管；数值模拟；紊流；传热与流动

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Abstract Title The Research of Circular Spiral Pipe Flow and Heat Transfer Characteristics.

Abstract

Helical pipes in the field of thermal, chemical, oil and nuclear industry have been widely used. The helical heat exchanger also has a simple structure, the heat transfer coefficient higher merit. The heat transfer coefficient is better than straight, which enjoys greater heat transfer area in the same space, arranged a longer pipeline, reducing the weld and improve security. Although the fluid resistance of the coil and the pressure drop increase, the heat transfer efficiency of energy saving is higher than the energy consumed by the resistance increases. Therefore, helical pipes have been widely used in many industries. In engineering applications, due to process requirements, often takes the fluid heated to the specified temperature range and heat transfer is the basic unit of operation. So it is necessary to study the helical heat transfer and flow characteristics. From theoretical knowledge, we know that the role of the centripetal force, which the fluid from the tube central part of the inside by the helical flow to the outer wall, resulting in a spiral the inside area of low pressure. Under differential pressure, the fluid flows back to the inside along the upper and lower wall of the tube from the outside. This flow which is vertical to the axial of the tube is perpendicular to the main flow with the fluid, known as secondary flow. This secondary flow of the fluid is axial mainstream into a spiral forward motion. Thus, the fluid heat and mass transfer, can not only rely on the radial diffusion of the fluid, as well as the radial secondary flow, which is equivalent to the boundary layer is destroyed, and enhance the fluid mass transfer. In this paper, the numerical simulation method to analyze the cross-section of the circular spiral tube in the application of FLUENT software to simulate the flow field in the fluid turbulent flow state within the circular spiral pipe to analyze the flow field within the circular spiral and impact factors, including the velocity distribution, temperature, flow field and the secondary flow. The paper outlines the application background and analysis of the significance of the helical pipe of GAMBIT and FLUENT with a brief introduction, and we analyzed them. Divided by GAMBIT modeling and grid definition of boundary conditions and FLUENT in setting the initial conditions for

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Abstract numerical simulation, further analysis of the fluid in the turbulent conditions in a helical pipe heat transfer factor. Conclusion obtained by numerical simulation the entrance Reynolds number throughout the flow field in a helical pipe, pressure drop and fluid flow size is proportional to the fluid inside the tubes. The fluid pressure drop the greater the speed the greater the circular spiral. As a result, we can increase the pipe Reynolds number to achieve the purpose of improving the flow field. At the same time, the size of the fluid inlet velocity affects the flow pattern of the fluid in the secondary flow in the entire pipe. Therefore, the choice of reasonable inlet velocity, can achieve the optimal allocation of the fluid in the flow field.

Keywords: Helical Pipe; Numerical Simulation; Turbulence; Heat Transfer and Flow

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目 录 目 录

摘要............................................................................................................................... I Abstract.......................................................................................................................II 第1章 绪论.............................................................................................................. 1

1.1 课题的背景与意义........................................................................................ 1

1.1.1圆形螺旋管技术研究现状................................................................... 1 1.1.2 课题提出的意义.................................................................................. 1 1.2 对于螺旋管传热特性的研究现状.............................................................. 1

1.2.1 螺旋管的管内外传热特性的研究...................................................... 1

1.2.2 螺旋管强化换热与阻力特性的研究.................................................. 2 1.2.3螺旋管内湍流对流换热影响因素的的研究....................................... 2 1.3 本课题主要研究的问题.............................................................................. 2 第2章 GAMBIT与FLUENT软件的介绍 ........................................................... 4

2.1 GAMBIT软件简介 ........................................................................................ 4 2.2 FLUENT程序介绍 ........................................................................................ 4

2.2.1 FLUENT的基本作用 .......................................................................... 4 2.2.2 FLUENT可求解的问题 ...................................................................... 5 2.3 FLUENT中数学模型的方程 ........................................................................ 5

2.3.1流体的物性........................................................................................... 5 2.3.2迭代格式的选择及精度....................................................................... 6 2.3.3 控制方程.............................................................................................. 6 2.3.4湍流模型............................................................................................... 6 2.4 数值求解方法的选择.................................................................................... 8

2.4.1 有限差分法.......................................................................................... 8 2.4.2 有限容积法.......................................................................................... 8 2.4.3 有限元法.............................................................................................. 8 2.4.4 有限分析法.......................................................................................... 9

第3章 物理模型的建立........................................................................................ 10

3.1 提出假设...................................................................................................... 10

3.2 模型的参数.................................................................................................. 10 3.3．在GAMBIT中建立模型的过程 .............................................................. 10 3.4．网格的划分.................................................................................................11 3.5．边界条件的定义........................................................................................ 12 3.6．FLUENT的求解过程 ............................................................................... 12 第4章 数值模拟与结果分析................................................................................ 15

目 录 4.1圆形截面螺旋管数值模拟分析................................................................... 15

4.1.1 迭代残差曲线.................................................................................... 15 4.1.2 速度等值线........................................................................................ 18 4.1.3 温度分布云图.................................................................................... 22 4.1.4速度二次流矢量图............................................................................. 25 4.2螺旋管的摩擦阻力系数f ............................................................................ 28 4.3螺旋管的努系尔得数Nu ............................................................................. 29 结论............................................................................................................................ 31 致谢............................................................................................................................ 32 参考文献.................................................................................................................... 33

第1章 绪 论 第1章 绪 论

1.1 课题的背景与意义

1.1.1圆形螺旋管技术研究现状

螺旋管管内流体流型的研究：对单相流来说，管内流体的流型主要有层流和紊流；对多相流而言，管内的流型有多种划分，依据相的不同而不同。由于流型的确定并没有严格的定义，只是定义层流状态表现为液体质点的摩擦和变形，而紊流状态表现为液体质点的互相撞击和渗混，因此对流型的判别也产生了不同的方法。对直管内单相流的流型判别准则有雷诺数法、稳定性参数法、整体稳定性参数法等[1]。但工程上直管内单相流流态判别普遍使用的是临界雷诺数法则，习惯上取Re=2000作为判别标准。即认为Re<2000是层流，而Re>2000是紊流。

螺旋管内流体摩擦阻力与压降特性研究：流体在管内流动时，由于实际流体具有粘性，必然会产生阻力。按工程流体力学的分类，阻力分沿程阻力和局部阻力两大类。当流体在螺旋管内流动时，由于受到离心力的作用，会使流体在垂直主流方向沿管截面产生二次流，从而使其摩擦阻力比直管内要大得多。关于圆管内水力摩阻系数的计算现已有比较完善的经验公式。

1.1.2 课题提出的意义

在能源、动力、化工和石油等领域里螺旋管都得到了重要的应用，例如螺旋式换热器的到了广泛的应用已成为一种十分重要的换热设备。与直管式的换热器相比，螺旋管式蒸气发生器和换热器有一系列的优点：首先,，螺旋管是一种传热强化管，其传热性能优于直管；其次，螺旋管这种结构布置紧凑，在单位空间里具有更大的换热能力，有利于一体化布置；此外，螺旋管热膨胀自由，提高了设备的安全性和可靠性；而另一方面，螺旋管结构复杂，制造难度大。在核反应堆中，蒸气发生器是一、二次回路交界面，安全性要求极高，这就要求对螺旋管式蒸气发生器的传热和流动特性有充分的认识，以确保这种换热器的安全运行[2]。所以在此种情况下，对螺旋管传热特性的研究的提出也是极具意义的。由于两相流动与传热的复杂性对螺旋管内的两相的研究还不多。总的来说，国外已开展了较广泛的研究特别是以水-空气为工质的冷态试验和以水一蒸气为工质的中、低压试验研究。

1.2 对于螺旋管传热特性的研究现状

1.2.1 螺旋管的管内外传热特性的研究

流体在螺旋管内流动时，由于向心力的作用，流体从管中心部分由螺旋管

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东北电力大学本科毕业论文 内侧流向外侧壁面，因而造成了螺旋管内侧的低压区。在压差作用下， 流体从外侧沿着圆管的上部和下部壁面流回内侧[1]。这种流动是与管的轴向垂直的，也就是与流体的主体流动相垂直，称为Dean二次流。流体的这种二次流与轴向主流复合成螺旋式的前进运动。这样，对于流体的传热传质，不仅可依靠流体的径向扩散，还有径向二次流的作用，相当于边界层进行了破坏，增强了流体传质。同直管相比，螺旋管在单相和汽液双相换热中，均有更佳的传热特性，并具有空间利用率高、可自由膨胀及重心低等优点。因此，是一种具有良好应用前景的高效换热管圈[4]。螺旋管管外传热研究主要是螺旋管外膜状换热特性的实验研究；有空气存在时水平螺旋管外膜状凝结换热的实验研究；螺旋管外膜状冷凝换热特性的实验研究；水平螺旋管外V型槽强化冷凝传热的理论研究以及原油输运加热炉辐射室内螺旋管表面热强度理论研究等诸方面的内容[3]。

1.2.2 螺旋管强化换热与阻力特性的研究

大量的研究结果显示，螺旋管内二次流对层流换热的强化效果比较显著，与直管相比，其层流换热强化比高达2到4倍，而湍流换热强化比仅有1.1到1.3。依据应用对象的不同，螺旋管内换热过程既可以是单相的，也可以是两相的(沸腾或凝结)。对于螺旋管内的沸腾传热，研究结果表明，螺旋管的传热系数仅较直管增加了5%到15%[5]。较小的管内侧换热系数往往成为制约螺旋管换热器整体换热性能的薄弱环节，所以对螺旋管内单相和两相对流换热的强化研究十分必要

1.2.3螺旋管内湍流对流换热影响因素的的研究

在实际运行中，螺旋管换热设备大都免不了加热和冷却。在加热或冷却情况下, 由于浮力作用产生的自然对流必然会改变螺旋管内的流动结构，进而改变流体的换热性能。对螺旋管内有浮力影响的层流混合对流换热进行理论分析和实验研究的Yao.Berger[6]、Sillekens[7]等,他们都各自得到了层流时离心力和浮力相互影响的分区图。其中，Sillekens 的分析中引入了一个无因次准则数Gr / [Dn（1+ Pr）]来度量浮力驱动的二次流与离心力引起的二次流之间的相对关系，并且对螺旋管内的层流混合对流换热进行了数值分析和实验研究，然而对螺旋管内湍流混合对流换热的研究报道极少。

1.3 本课题主要研究的问题

目前，国内外大量的学者在从事着强化传热方面的技术研究，但是针对螺旋管研并不多见而且多数情况局限于实验研究。鉴于螺旋管优越的结构特性，高效的换热性，因此很有必要对不同结构螺旋管的各种性能进行深入研究，尤其宜采用数值模拟和物理实验相结合的方法。由于螺旋管结构的特殊性，给螺

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第1章 绪 论 旋管数值模拟的建模带来一定困难。但随着商业软件的不断更新，螺旋管数值试验研究与物理实验研究相结合的方法必成为今后螺旋管性能研究的重要方法。本课题就是通过对Fluent和Gambit等软件的使用方法的掌握，进行数值模拟，得到螺旋圆管的流动特性和传热特性与Re数变化关系。

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东北电力大学本科毕业论文 第2章 GAMBIT与FLUENT软件的介绍

2.1 GAMBIT软件简介

GAMBIT软件是面向CFD的专业前处理器软件，它包含全面的几何建模能力,既可以在GAMBIT内直接建立点、线、面、体几何，也可以从主流的CAD/CAE系统如PRO/E、UGII、IDEAS、CATIA、SOLIDWORKS、ANSYS、PATRAN导入几何和网格，GAMBIT强大的布尔运算能力为建立复杂的几何模型提供的极大的方便[8]。

GAMBIT具有灵活方便的几何修正功能，当从接口中导入几何时会自动的合并重合的点、线、面；GAMBIT在保证原始几何精度的基础上通过虚拟几何自动的缝合小缝隙，这样既可以保证几何精度，又可以满足网格划分的需要。

GAMBIT功能强大的网格划分工具，可以划分出包含边界层等CFD特殊要求的高质量的网格。GAMBIT中专有的网格划分算法可以保证在较为复杂的几何区域可以直接划分出高质量的六面体网格。

GAMBIT中的TGRID方法可以在极其复杂的几何区域中可以划分出与相邻区域网格连续的完全非结构化的网格，GAMBIT网格划分方法的选择完全是智能化的，当你选择一个几何区域后GAMBIT会自动选择最合适的网格划分算法使网格划分过程变的极为容易。

GAMBIT可以生成FLUENT5、FLUENT4.5、FIDAP、POLYFLOW、NEKTON、ANSYS等求解器所需要的网格[9]。

2.2 FLUENT程序介绍

2.2.1 FLUENT的基本作用

FLUENT是用C语言写的，因此具有很大的灵活性与能力。因此，动态内存分配，高效数据结构，灵活的解控制都是可能的。除此之外，为了高效的执行，交互的控制，以及灵活的适应各种机器与操作系统，FLUENT使用client/server结构，因此它允许同时在用户桌面工作站和强有力的服务器上分离地运行程序。

FLUENT是用于模拟具有复杂外形的流体流动以及热传导的计算机程序。它提供了完全的网格灵活性，你可以使用非结构网格，例如二维三角形或四边形网格、三维四面体/六面体/金字塔形网格来解决具有复杂外形的流动[10]。甚至可以用混合型非结构网格。它允许你根据解的具体情况对网格进行修改（细化/粗化）。

在FLUENT中，解的计算与显示可以通过交互界面，菜单界面来完成。用户界面是通过Scheme语言及LISP dialect写成的。高级用户可以通过写菜单宏及菜单函数自定义及优化界面[11]。

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第2章 GAMBIT与FLUENT软件的介绍 一旦网格被读入FLUENT，剩下的任务就是使用解算器进行计算了。其中包括，边界条件的设定，流体物性的设定，解的执行，网格的优化，结果的查看与后处理。

2.2.2 FLUENT可求解的问题

FLUENT 可以求解计算二维和三维问题，在计算过程中，网格可以自适应调整。FLUENT软件的应用范围非常广泛，主要范围如下[12]：

(1)用非结构自适应网格模拟2D或者3D流场，它所使用的非结构网格主要有三角形/五边形、四边形/五边形，或者混合网格，其中混合网格有棱柱形和金字塔形（一致网格和悬挂节点网格都可以） (2)不可压或可压流动

(3)定常状态或者过渡分析 (4)无粘，层流和湍流 (5)牛顿流或者非牛顿流

(6)对流热传导，包括自然对流和强迫对流 (7)耦合热传导和对流 (8)辐射热传导模型

(9)惯性（静止）坐标系非惯性（旋转）坐标系模型

(10)多重运动参考框架，包括滑动网格界面和rotor/stator interaction modeling的混合界面

(11)化学组分混合和反应，包括燃烧子模型和表面沉积反应模型 (12)热，质量，动量，湍流和化学组分的控制体源

(13)粒子，液滴和气泡的离散相的拉格朗日轨迹的计算，包括了和连续相的耦合

(14)多孔流动

(15)一维风扇/热交换模型 (16)两相流，包括气穴现象 (17)复杂外形的自由表面流动

2.3 FLUENT中数学模型的方程

2.3.1流体的物性

本文采用的是工质是水，假设为不可压缩、常物性稳态流动，密度为998.2 kg/m3，比热4183J/( kg·k)，导热系数0.599w/( m·k)，粘度0.001003kg/( m·s)。操作条件为标准大气压同时作如下假设：

(1)忽略重力的影响；

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东北电力大学本科毕业论文 (2)所有界面和接触表面不变形，液-固接触面为无滑移边界； (3)沿流体流动的主流方向流体的导热忽略不计； (4)流体通过管后无质量增量，管内无其它源项。

2.3.2迭代格式的选择及精度

由于SIMPLEC算法在一定程度上缩小了由于忽略对流-扩散项的影响所带来的误差，且其收敛特性和健壮性远优于SIMPLE和SIMPLER，SIMPLEC的计算时间较少，所以用SIMPLEC算法处理压力与速度耦合问题[13]。

为了克服由于对流项采用中心差分而引起的困难，早在20世纪50年代，就提出了迎风差分。迎风差分又称为上风差分，它充分考虑了流动方向对导数的差分计算式及界面上函数的取值方法的影响。二阶迎风格式要明显优于一阶迎风格式，因为一阶迎风格式的截差阶数低，除非采用相当细密的网格，其计算结果的误差较大，动量方程和能量方程用Second Order Upwind格式。

为保证计算结果的更接近于真实结果，本文采用的计算的迭代精度：能量方程为1E-06，动量方程、连续性方程及其它方程为1E-03。

2.3.3 控制方程

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等控制方程。 连续性方程：

?u?x?1?(rv)r?r?0

(2-1) 动量方程：

?(?u???u?u?x?v?u?r)???p?x??(?u?r22?1?ur?r??u?x22)

(2-2)

?(?v???u?v?x?v?v?r)???p?r??(?v?r22

?1?vr?r??v?x22?vr2) (2-3)

能量方程：

?t???u?t?x?v?t?r???cp??(?t22?1?tr?r??t?x22) (2-4)

2.3.4湍流模型

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第2章 GAMBIT与FLUENT软件的介绍 湍流流动是工程技术领域与自然界中常见的流动现象，流体作湍流流动时的对流换热也是工程传热过程中最常见的一种热交换方式。湍流是一种高度复杂的三维非稳态、带旋转的不规则流动。在湍流中流体中的各种物理参数，如速度、压力、温度等都随时间与空间发生随机的变化。本文主要采用了标准的k-ε湍流模型进行了计算。下面给出标准的k-ε湍流模型的控制方程形式： 标准的k-ε方程：

?t???????????t?xj??k??

?k??k????x??Gk?Gb????YM?Skj??? (2-5)

?t???????????t?xj??k??

??2?????????x??C1εk?Gk?C3εGb??C2ε?k?Sεj??? (2-6)

其中：

?t?Cμ?k2? (Cμ=0.09) (2-7)

Gk为平均速度梯度所引起的湍动能k

??u?ujiGk??t????x?xij?的产生项，由式计算：

??ui???xj? 有：

(2-8)

Gb为浮力所引起的湍动能kGb=0。的产生项，对于不可压流体，对于可压流体，

Gb??gi?t?TPrt?xi (2-9)

其中，gi为重力加速度在第i方向的分量，β为热膨胀系数，即：

???1??

Ym??T (2-10)

代表可压湍流中脉动扩张的贡献，对于不可压流体，Ym =0。对于可压流体，

YM?2??M2t为：

(2-11)

k/a2其中，Mt为湍动能mach数，；a是声速，a??RT。 在标准k-ε模型中，模型常数C1?、C2?、C3?、?k、??的取值：

Mt?C1?Sk=1.44，C2?=1.92，C3?=0.09，?k=1.0，??=1.3

依据上述分析，当流动为不可压，且不考虑用于自定义的源项时，Gb=0，Ym=0， =0，S? =0，此时，标准k-ε模型变为：

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东北电力大学本科毕业论文 ??k?t?

???t?????????xj??k????k????x??Gk????j?? (2-12)

?t???????????t?xj??k??

?(??)??(??ui)?xi2?????????x??C1εkGk?C2ε?kj??? (2-13)

??2????t????C1ε??????Gk?C2ε????????xj??k??xj?kk??? (2-14)

2.4 数值求解方法的选择

数值计算的方法越来越广泛地得到应用于大量具有工程实际意义的流动与换热问题。数值传热学是指针对流动与换热问题，通过计算机将其控制方程采用数值方法进行求解的学科，它的中心思想是：用一系列节点上的值的集来代

替原来在空间与时间坐标中连续的物理量的场，并且基于一定的原则建立离散方程，求解离散方程以获得近似值。在过去的几十年内已经发展出了多种数值解法，在传热计算中应用最广泛的是有限差分法、有限元法、有限分析法和有限容积法。其不同之处在于区域的离散方式、方程的离散方式及代数方程求解的方法上[14]。

2.4.1 有限差分法

这是最早采用的数值求解方法，针对简单几何形状中的流动与换热问题较容易实施。其基本思路是：对于规则求解区域，生成与坐标轴平等的一系列网格线的交点所组成简单的结构化网格，并且用相应的差分表达式来代替每个节点上的控制方程中的每一个导数，求解在每个节点上形成的代数方程，就可以获得所需的数值解。但是，有限差分法对复杂区域的适应性较差，离散方程的守恒特性难以保证[15]。

2.4.2 有限容积法

有限容积法又称为控制体积法。其特点是：将计算区域划分为一系列不重复的控制体积，并且保证每个网格点周围都有一个控制体积；将流动与传热问题的守恒型控制方程在控制容积上作积分，便得出一组离散方程。优点是导出的离散方程可以保证具有守恒性，对区域形状的适应性也有限差分法要好，是目前应用最普遍的一种数值方法。

2.4.3 有限元法

有限元法的中心思想是把计算区域划分为有限个互不重叠的元体，每个元

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第2章 GAMBIT与FLUENT软件的介绍 体上取数个点作为节点，然后通过对控制方程作积分来得出离散方程。有限元法在积之前需要将控制方程乘上一个权函数，要求在整个计算区域上控制方程余量的加权平均值等于零，从而得到一组关于节点上的被求变量的代数方程组。其优点是对不规则几何区域的适应性好，但计算的工作量一般较有限容积法大，而且在求解流动与换热问题时，对流项的离散处理方法及不可压流体原始变量法求解方面没有有限容积法成熟。

2.4.4 有限分析法

在有限分析法中每一节点与其相邻的四个网格组成一个计算单元。逐一求解区域内的每一个节点建立离散方程，要完成对整个计算区域的离散方程的建立，需要对计算区域边界上不是第一类条件的每一个节点补充一个方程。有限分析法最大的优点是：它可以克服在高雷诺数下有限差分法以及有限容积法的数值解容易发散或振荡的缺点。但是计算工作量大，对计算区域几何形状的适应性也比较差。针对上述数值计算方法的分析，为保证计算结果与真实结果相似性，考虑到数值方法的收敛性、适应性以及计算时间，本文选用有限容积法进行数值模拟计算[16]。

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东北电力大学本科毕业论文 第3章 物理模型的建立

3.1 提出假设

因为问题的复杂性，为了简化模型，提出了以下假设： (1)忽略流体重力作用

(2)流体在管内的流动为稳态流动，且流体为不可压缩粘性流体 (3)不考虑螺旋管的壁厚

(4)流体的密度，粘度等参数不随温度和时间变化而变化 (5)所有界面和接触表面不变形，液-固接触面为无滑移边界 (6)沿流体流动的主流方向流体的导热忽略不计

(7)流体通过管后无质量增量，管内无其它源项[17]。

3.2 模型的参数

已知条件：螺旋半径Rc=10cm ，管子截面半径r=2.5cm，螺距H=5cm，圈数4圈。采用水作流体介质，忽略壁厚。 雷诺数

Re=ρvDe/μ (3-1) 其中De=2.5mm ρ=998.2 kg/m3 μ=0.001003 Pa·s

当Re=ρvDe/μ≤2000 流体流动状态为层流； 当Re=ρvDe/μ>2000 流体流动状态为紊流；

本文中把数据代入公式，所以经过计算得：当v≤0.08038m/s时为层流；反之为紊流。

将水分别以0.4m/s、0.6m/s、0.8 m/s、1.0 m/s、1.2 m/s、1.4 m/s 的速度通过该圆形螺旋管截面，对其流场进行数值模拟和计算。

3.3 在GAMBIT中建立模型的过程

(1)绘制半径为2.5cm的圆，螺旋管的旋转直径为10cm。

(2)以圆的圆心开始绘制螺旋线，Y轴为旋转轴，螺距为H=5cm，点击确定。 (3)选择Sweep Faces 选项，使已经绘制出来的圆面沿着第二步画出来的螺旋线垂直扫面，点击确定。

(4)对已经生成的体进行复制，这里我们进行复制的份数为4。

(5)把这旋转而来的5个体进行合并，合并成为一个体。 这样，我们得到的图形为下图：

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第3章 物理模型的建立

图3-1 圆形截面螺旋管模型

3.4 网格的划分

(1)先对两个面进行网格的划分，具体操作如下： 首先是对两个底面上的四条边进行网格的划分。mesh face 面板中的黄色显示部分选中四条半径，ratio=0.8(点的分布离圆心越近越疏)。选中剩下的四条半径，同上操作，画好网格。然后，将底面上的圆周划分为80份。再然后，对底面上共八个扇形进行网格划分。我们打开生成面网格的面板Mesh>Face，打开十个按钮中第一行第四个按钮set face vertex type，在face中选择1/4圆面的那个体的扇形端面，在Type中选择Trielement，然后在Vertices中选择次面上那个圆心点，点击Apply。然后便可以对次面生成面网格，会发现在选中这个面的时候，网格类型自动选择为elements为Quad/Tri，Type为wedge primitive，选择合适的尺寸。便可以生成从圆心辐射向外的面网格。分别对八个扇形面进行划分，全部完成后，如图：

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东北电力大学本科毕业论文

图3-2 螺旋管入口的面网格划分

(2)将所有的体合并为一个。其中merge volumes 是右击选中的。黄色显示部分选择所有的体，点击apply。

(3)对合并完的体进行网格划分。其中的interval size 要改成0.2，单击apply，这样就成功画好了网格。

3.5 边界条件的定义

网格划分完成后，那么接下来就是定义初始边界条件。

(1)管子的入口，我们定义为inlet。由于我们分析的是流体在圆形截面螺旋管内流动的流场，所以我们设置入口条件为速度，为velocity_inlet。

(2)管子的出口，我们定义为outlet。出口定义为压力流，我们需要流体流动的所有环节都充分的表现出来，故我们在出口处设置条件为pressure_out。

(3)螺旋管的壁面，由于本设计不考虑换热，且已忽略壁厚，只设置条件为壁面wall。

(4)输出文件。File/export/mesh点击accept。网格输出并且保存文件，文件类型为.msh。

3.6 FLUENT的求解过程

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第3章 物理模型的建立 (1)选择合适的求解器：2D、3D、2DDP、3DDP

由于在GAMBIT中建立的是三维的螺旋管，所以这里选择3D空间三维立体计算求解器。

(2)读入网格

这步中其实就是读取保存过的.msh文件。可直接在FLUENT中选择File/Read/Case命令，然后在弹出的File对话框中选中所要导入的文件，FLUENT在导入过程中会报告网格的相关信息，如节点数、不同类型的单元数等。在FLUENT中，选择File/Read/Case命令，在弹出的对话框中读入.msh文件。

(3)检查网格 点击Grid/Check，要特别注意信息的反馈窗口内不能有任何错误警告，特别是注意负体积或者负面积警告。因为将网格导入FLUENT后，必须先对网络进行检查，才能以便确定是否可直接用于CFD求解。选择Grid/Check命令，FLUENT会自动完成网格检查,同时报告计算域、体、面、节点的统计信息。若发现有错误存在，FLUENT会给出相关提示，用户需要按提示进行相应修改。

(4)显示网格

点击Display/Grid，打开网格显示对话框，在网格显示对话框中，保留默认设置，点击Display按钮，则打开的图形窗口中显示网格。

(5)单位的选择

FLUENT中默认单位是m，需要缩放。为此，选择Grid/Scale命令，在弹出的Scale Grid对话框中，在Grid Was Created In下拉菜单中，选取cm，然后单击Scale按钮。

(6)设置求解器 ①确定求解器参数

点击Define/Models/Solver命令，弹出Solver对话框，在Solver选项组中选择Segregated（分离式求解器），在Space选项组中选择3D（三维问题），在Time选项组中选择Steady（稳态流动），其他用默认值。

②启动能量方程

点击Define/Models/Energy，打开能量对话框，在Energy Equation前打勾。因为本问题设计温度的分布及流动和Re的关系，因此必须求解能量方程。

③确定紊流模型

当流体的流动为紊流时，点击Define/Models/Viscous，打开温流模型对话框，在Model项选择k-epsilon，在k-epsilon Model项选择Realizable。在Near-Wall Treatment 项选择Enhanced Wall Treatment。在模拟层流流动的时候，忽略该步骤。

④确定流体属性

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东北电力大学本科毕业论文 点击Define/Materials命令，弹出Materials对话框，单击Database按钮，打开FLUENT材料数据库，在新对话框的Fluid Materials下拉列表中选择water-liquid（h2o<1>），单击Copy按钮，单击Close按钮关闭Materials对话框。

⑤定义边界条件

点击Define/Operating Conditions命令，弹出Operating Conditions对话框，保持FLUENT默认的参考压力值（一个标准大气压）。选择Define/Boundary Conditions命令，弹出Boundary Conditions对话框，从Zone列表中选择fluid，单击Set按钮后，弹出Fluid对话框；在Materials Name下拉列表中，选择Water-liquid，其他选择默认值，点击OK。设置进口边界，将进口Inlet设为velocity-inlet，在Velocity Inlet对话框的Velocity Magnitude文本框中输入速度值.设置出口边界。将出口Outlet设置为pressure_out，参数使用默认值。

(7)求解

①采用一阶离散方法进行计算

点击Solve/Controls/Solution，打开求解控制参数设置对话框，保留默认设置即可。

②设置流场初始值

点击Solve/Initialize/Initialize，在Compute From下拉列表中选择inlet，在Reference Frame组合框中，选择Relative to Cell Zone，单击Init按钮。

③设置收敛临界值

点击Solve/Monitors/Residual命令，弹出Residual Monitors对话框。在Options选项组中，选中Plot复选框。在Convergence Criterion项下的所有数据都改为1e-04。

(8)保存设置文件

择File/Write/Case命令，保存文件，文件格式.cas。 (9)迭代计算

选择Solve/Iterate命令，弹出Iterate对话框，设置迭代次数为1000，其余用默认值。单击Iterate，迭代开始。观察残差曲线。

(10)保存数据文件

迭代完成以后，点击File/Write/Data，保存文件，文件格式.dat。

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第4章 数值模拟与结果分析 第4章 数值模拟与结果分析

4.1圆形截面螺旋管数值模拟分析

4.1.1 迭代残差曲线

图4-1 0.4 m/s速度下圆形螺旋管迭代残差曲线

图4-2 0.6 m/s速度下圆形螺旋管迭代残差曲线

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东北电力大学本科毕业论文

图4-3 0.8 m/s速度下圆形螺旋管迭代残差曲线

图4-4 1.0 m/s速度下圆形螺旋管迭代残差曲线

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第4章 数值模拟与结果分析

图4-5 1.2 m/s速度下圆形螺旋管迭代残差曲线

图4-6 1.4 m/s速度下圆形螺旋管迭代残差曲线

由残差图大致可以看出：速度越大，迭代次数相对越多，收敛也变得越慢，

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东北电力大学本科毕业论文 并且曲线都是成下降趋势，迭代到所设的收敛精度为止。流体在最初的模拟阶段，由于流体的震荡，导致残差曲线也开始呈现不规则的震荡，然后逐渐趋于平缓。

4.1.2 速度等值线

图4-7 0.4 m/s速度下圆形螺旋管z=0截面速度等值线

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第4章 数值模拟与结果分析

图4-8 0.6 m/s速度下圆形螺旋管z=0截面速度等值线

图4-9 0.8 m/s速度下圆形螺旋管z=0截面速度等值线

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东北电力大学本科毕业论文

图4-10 1.0m/s速度下圆形螺旋管z=0截面速度等值线

图4-11 1.2 m/s速度下圆形螺旋管z=0截面速度等值线

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第4章 数值模拟与结果分析

图4-12 1.4m/s速度下圆形螺旋管z=0截面速度等值线

从速度等值线分布图可以看出：在截面上，在管子中心靠近外壁侧的速度较大，等值线呈不太规则的弓状分布。这是由于它还受到一个离心力的作用，方向背离螺旋管对称轴心。壁面速度为0，速度由中间向壁面均匀分布，逐层递减。这是由于流体内在的粘性力作用。而流体在普通圆直管道中流动时呈抛物线形状分布，由四周向中间逐渐递减。这就是流体在圆形螺旋管中流动时与普通圆直管不同之处[18]。

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东北电力大学本科毕业论文 4.1.3 温度分布云图

图4-13 0.4 m/s速度下圆形螺旋管z=0截面温度分布云图

图4-14 0.6 m/s速度下圆形螺旋管z=0截面温度分布云图

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第4章 数值模拟与结果分析

图4-15 0.8 m/s速度下圆形螺旋管z=0截面温度分布云图

图4-16 1.0 m/s速度下圆形螺旋管z=0截面温度分布云图

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东北电力大学本科毕业论文

图4-17 1.2 m/s速度下圆形螺旋管z=0截面温度分布云图

图4-18 1.4m/s速度下圆形螺旋管z=0截面温度分布云图

从温度分布云图可以看出：随着流体进入螺旋管中，流体的温度就在逐渐的升高，流体入口速度越高，流体在管中换热效果就会越好，因为此时产生了漩涡，增强了换热效果。

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第4章 数值模拟与结果分析 4.1.4速度二次流矢量图

图4-19 0.4m/s速度下圆形螺旋管二次流矢量图

图4-20 0.6m/s速度下圆形螺旋管二次流矢量图

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东北电力大学本科毕业论文

图4-21 0.8m/s速度下圆形螺旋管二次流矢量图

图4-22 1.0m/s速度下圆形螺旋管二次流矢量图

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第4章 数值模拟与结果分析

图4-23 1.2m/s速度下圆形螺旋管二次流矢量图

图4-24 1.4m/s速度下圆形螺旋管二次流矢量图

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东北电力大学本科毕业论文 从图中可以看出：流动速度较小时，二次流分居上下两侧呈对称分布，流动速度越大时，二次流越向两侧偏离，扰动范围越大，换热效果就越好。

4.2螺旋管的摩擦阻力系数f

根据FLUENT模拟出来的结果，可以得到螺旋管出口和入口的压力损失P：

P=P1-P2 (4-1)

P1：流体入口压力(Pa) P2：流体出口压力(Pa)

根据根据文献[19]介绍的达西

f=2P*De/(ρ*v2*L) (4-2) 当量直径(m) De：

螺旋管长度(m)

对于光滑螺旋管，由波拉修斯公式，有 f=0.3164/Re0.25 ρ：流体密度(kg/m3) v：流体入口速度(m/s) L：

(4-3)

Re=ρvDe/μ (4-4)

表4-1 不同速度下的入口和出口的压力与温度

速度（m/s） 入口温度（K） 出口温度（K） 入口压力P1（Pa） 0.4

0.6 0.8 1.0 1.2 1.4

301.3071 301.3071 301.3071 301.3071 301.3071 301.3071

335.419 332.7126 330.9222 329.8092 329.0631 328.4245

521.5699 1032.643 1677.338 2451.345 3365.16 4419.97

出口压力P2（Pa） 0 0 0 0 0 0

导入excel计算并绘制表格如图

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第4章 数值模拟与结果分析 f Re

图4-26 摩擦阻力系数与Re之间的关系

结论：随着Re数的增大，螺旋管的摩擦阻力系数呈下降趋势；实验模拟的螺旋管与光滑螺旋管摩擦阻力系数的比值逐渐减小。

4.3 螺旋管的努系尔得数N

u根据文献[20]用到公式

Nu=Qw/(Tw-TmTm)*(De/λ ) (4-5)

：截面的平均温度(K) λ：流体导热系数(W/m·K) Tw：壁面温度(K)

)

同样根据文献[20]用到经验公式

Nu=(f/8)(Re-1000)PrQw：壁面局部热流(J/m2(1+De/L)/[1+12.7f/8(Pr2/3-1)] (4-6)

Pr：普朗克数 Pr=7.02

导入excel计算并绘制表格如图

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东北电力大学本科毕业论文 180016001400120010008006004002000Nu 实验模拟理论9952.1435714928.215419904.287124880.358929856.4307

图4-27 努系尔得数与Re之间的关系

结论：随着Re的增大，螺旋管的努系尔得数逐渐增大，说明换热加强。

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34832.5025Re 结 论 结 论

本文采用计算流体力学的相关的知识，运用GAMBIT建立圆形截面螺旋管的三维模型，并在GAMBIT软件中进行网格的划分和边界条件的设定，最后导入到Fluent软件中进行了对圆形截面螺旋管内紊流流场的数值模拟。

（1）在运用GAMBIT进行网格的划分时，要选择最合适的划分网格的方式，网格的疏密程度影响了数值模拟的结果的精度，所以，网格的划分时极其重要的一个步骤。

（2）圆形螺旋管内二次流的稳定结构为两涡结构，当Re很小时，旋转方向相反的两涡处于管子截面的中心处，随着Re的增大，二次涡范围先增大而后移向圆管的圆边，增强了圆边处流体质点的扰动与混合，由此可见二次流对螺旋圆管换热起强化作用。

（3）流体入口速度的大小影响管子中流体的速度分布，从6个不用的截面速度等值线图可以得出：当速度很小时，速度梯度分布比较均匀，几乎呈圆形。随着速度逐渐增加，在截面上，在管子远离螺旋中心一侧速度梯度较大，等值线呈不太规则的弓形分布。这是由于流体在圆形螺旋管中流动时，受到一个离心力的作用。所以选择合理的入口速度，可以使流场到优化配置。

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致 谢 致 谢

本论文是在张仲彬老师的精心指导和谆谆教诲下完成的。导师的渊博的学识、严谨的治学态度、敏锐的洞察力、富有创新的开拓精神和广阔的胸怀深深地感染着我，使我受益终身。从开题到论文的撰写，期间无处不包含着导师的心血，在此我向导师致以最诚挚的谢意。

在本课题的研究过程中，还得到了其他老师的热情关怀和精心指导，这些老师的以特有的学识、经验、能力、耐力都给了我极大的帮助，为本文的工作顺利完成奠定了坚实的基础。

最后，对于我朝夕相处的同学和朋友表示由衷的感谢，与他们结下的深厚友谊使我的生活变得丰富多彩，衷心祝愿你们拥有更美好的未来。

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参考文献 参考文献

[1] 朱建国，仇性启. 螺旋管技术研究[J].工业加热，2004，33(1):13-17 [2] 毕勤成，陈听宽，田永生，陈学俊. 螺旋管内高压汽水两相流传热恶化规

律的研究[J].西安交通大学学报，1996，30(5):31-35 [3] 李隆键，崔文智，辛明道. 螺旋管内单相及沸腾的强化换热与阻力特性实验[J].核动力工程，2005，26(1):7-10

[4] 崔文智，廖 全，辛明道. R134a在螺旋管内的流动沸腾传热[J].重庆大学

学报，2001，24(4):119-121

[5] 李隆键，辛明道. 自然对流对螺旋管内湍流对流换热影响[J].大连理工大学

学报，2001，41(1):51-54 [6] YAO.L.S,BERGER S A. Flow in heated curved pipes[J].J Fluid Mech:Part 2,1978,88: 339-365

[7] SILLEKENS.J.JM.Laminarmixed convection inducts[J].Brabant:Technische

Universiteit indhoven,1996,66(8):276-288

[8] J.H.K.Versteeg,W.Malalasekera.An Introduction to Computational Fluid

Dynamics:The Finite Volume Method[J]. New York: 1995,4(6):34-36 [9] S.V.Patankar. Numerical Heat Transfer and Fluid Flow Hemisphere [J]. Applied

Thermal Engineering,2010,5(4) :2903-2908 [10] C.A.J.Flecher.ComputationalTechniques for Fluid Dynamics[J].Berlin: Springer Series in computational Physics,1990,3(4)33:23-45

[11] C.J.Chen.S.Y.Jaw. Fundamentals of Turbulence Modeling[J].Hemisphere of

Publishing Cambridge University press,1995,4:32-35

[12] B.E.Launder.D.B.Spalding.The numerical computation of laminar flows[J].

Computer Mcthods in Applied Mechanics and Engineering,1974,3:269-289 [13] 魏新利，李慧，张军. 计算流体动力学(CFD在化工领域的应用) [J].化工时刊，2006，10(3):9-14

[14] S. V. Patankar. 传热与流体流动的数值计算[M].北京:科学出版社，1984，

2:109-121

[15] 韩吉田，陈文文，陈常念，王美霞，潘继红.卧式螺旋管内沸腾流型与阻

力特性实验研究[J].工程热物理学报，2010，31(6):1046-1048 [16] 李雅侠，王??航，吴剑华，龚??斌. 螺旋半圆管夹套内层流流动及换热特

性研究[J].过程工程学报，2010，38(6):36-38 [17] 白博峰，郭烈锦. 卧式螺旋管内流动沸腾传热研究[J].核科学与工程，

1997，17(4):302-308

- 33 -

致 谢 [18] 江俊，沈时芳，顾正祥，徐健学.螺旋管换热器传热管动力特性的试验及数值分析[J]. 核科学与工程，1993，13(1):20-26

[19] 李雅侠，吴剑华，龚 斌，战洪仁. 螺旋半圆管夹套内湍流流动与传热的

数值模拟[J].过程工程学报，2010，10(4):645-649

[20] 李雅侠，华 博，吴剑华，张 平. 釜内螺旋半圆管夹套内流体湍流流动特

[J].过程工程学报，2011，11(6):915-917

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