专业就业排行榜-中国梦作文素材

第
29
卷第
1
期
2012
年
3月
广东工业大学学报
JournalofGuangdongUniversityofT echnology
Vol．29No．1
March2012
管内对流换热影响因素 及其强化分析
陈观生
，
杜文杰
，
杨景泉
，
李文丰< br>，
李学宇
，
梁适
，
张莉
（
广东工业大学材料 与能源学院
，
广东广州
510006）
摘要
：
从影响管内对 流换热的因素出发
，
对近年来国内外学者的研究成果进行了综合分析
，
包括管 内流体流动状
表面形状
、
物性
、
脉动等对管内对流换热的影响
．
介绍了利用缩放管
、
金属泡沫管
、
纳米流体
、
高压电场等强化换态
、
热的方法
．
对中高温太阳能热利用系统中大温差管内对 流换热的应用及其强化方法进行了展望
．
关键词
：
管内
；
对 流
；
换热
；
强化换热
中图分类号
：TK513
文献 标志码
：A7162（2012）01-0023-04
文章编号
：1007-
InfluencingFactorsandEnhancingMethodsof
Convec tiveHeatTransferinTubes
ChenGuan-sheng，DuWen- jie，YangJing-quan，LiWen-feng，LiXue-yu，LiangShi，Zha ngLi
（FacultyofMaterialsandEnergy，GuangdongUniv ersityofTechnology，Guangzhou510006，China）
Abstr act：Somefactorsweresummarizedsystematicallyaccordi ngtotheresearchinChinaandabroadin
recentyears，i ncludingconvectionflowstate，phase-transformation，g eometricfactors，fluidpulse，fluid
physicalproper tiesandviscosities．Atthesametime，somemethodsofenha ncingheattransferintubes
werealsosummarized，suc hasadditives，electro-hydro-dynamical，metalfoamfill edpipesetc．Finally，
thecharacteristicsandthemet hodofheattransferenhancementwereanalyzedinhigh-med iumtempera-
turesolarpowersystems．
Keywords： tube；convection；heattransfer；heattransferenhancing
管内对流换热过程广泛存在于化工
、
动力
、
制冷
及太阳能热 利用等工程技术领域的各种热交换设备
是一个传热温差和流体流动阻力并存且相互影中
，
响的复杂传热过程
．
近年来
，
随着市场经济的发展
，
热交 换设备迫切需要符合节约能源
、
节省材料和降
低成本的要求
，
这对强 化设备的换热提出了更高的
要求
．
众所周知
，
热量传递方式有热传导
、
对流以及
辐射三种
，
因此强化传热的方法也势必从这三个方
面来进行
．
作为热交换器中管内热流体的主要传热
方式
，
管内对流 换热的强化在热交换器强化换热研
究中占有极其重要的地位
．
本文从理论及已有实验< br>的角度对管内对流换热的影响因素及其强化换热的
方法进行分析
，
以期对太阳能 中高温热利用中大温
差管内对流强化换热的研究提供指导和借鉴
．
收稿日期
： 2011-09-06
基金项目
：
广东工业大学重大项目培育专项资助项目
（ 092006）；
广东省大学生创新实验项目
（4021022126）
），
作者简介
：
陈观生
（1970-
男
，
副教授
，主要研究方向为制冷
、
空调
、
储能技术及其相关设备的开发与节能
．
1
1．1
管内对流换热的理论分析
边界层理论
边界层是由于流体 的黏滞性
，
在紧靠其边界壁
面附近
，
流速较势流流速急剧减小
，
形成的流速梯度
很大的薄层流体
，
又称为流动边界层
［1］．
1904
年德国普朗特提出著名的边界层概念后
，
经过发展
，
流体力学的研究已经证明
，
黏性流体存在
着两种不同的流态
：
层流
（Re＜2000）
及湍流
（Re＞
10000）．
层流是流 体微团沿着主流方向作有规则的
分层流动
，
而湍流时流体各部分之间发生剧烈的混合
，
因而在其他条件相同时湍流传热的强度自然要
较层流强烈
．
湍流时的传热除贴壁的滞流内层外
，
湍
流核心的速度分布和温度分布较为平坦
，
主要热阻

24
广东工业大学学报第
29
卷
存在于滞流内层中
．
由于滞流内层极薄
，
温度梯度甚
大
，< br>所以湍流传热强度远远超过层流
．
对于强制对流
，
若忽略自然对流的影 响
，
其一般
P
r
）．
在一定范围内
，
准则 数关系式为
N
u
=f（Re、
这
个关系式可整理成如下形式
：N
u
=C（Re）m（P
r
）n，
Re、P
r
分 别为雷诺数和普式中
N
u
称努塞尔特准数
，
n
依影响因素不 同由实验朗特数
；
系数
c，
指数
m、
测定
．
流动边界层厚度
a
与热边界层厚度δ分别反
映流体分子和流体微团的动量与热量扩散 的程度
．
1．2
场协同理论
针对静止坐标系下的流动换热问题
，有学者从
二维层流边界层能量方程出发
，
重新审视了热量输
运的物理机制
，
把对流换热比拟成有内热源的导热
并指出热源强度不仅决定于流体的速度和物过程< br>，
性
，
而且取决于流速和热流矢量的协同
：
流动的存在
也可能并无实质贡献甚至减弱换热
，
可能强化换热
，
并以二维平板层流边界 层问题为例提出了场协同理
论
［2］
而在大多数情况下
，
黏性性对温 度的变化最为敏感
，
对传热过程的影响远大于其它物性的影响
．
一般情
液体的黏性随温度升高而减小
，
气体则呈现与况下
，
液体相反的趋势
，
使得管内速度分布发生畸变
，
这必
将对流动中的传热和压降特性产生重要 影响
．
在热物性对有效能损失影响的研究中
，
目前对
有效能的研究只 是针对层流的情况
．
师晋生等
［4］
针
对壁面定热流加热的管内对流 换热有效能损失进行
分析了黏度变化的影响
．
结果表明
，
温差传了研 究
，
换热系数也增大
，
在热时管内液体近壁处流速增大
，
壁 面温度与流体平均温度差将热流不变的条件下
，
减小
，
实际温差传热有效能损 失会减小
，
由流动引起
的有效能损失更会减小
．
这是因为近壁处液体 流阻
系数减小
，
这样总的单位热容有效能损失将减小
．
并
得 出了适用于层流和湍流的简单关系式
，
其反应了
有效能损失与换热工况
、流动状态
、
管长的关系
．
1．4
脉动分析
对管内流动< br>，
脉动流体进入管道进口时造成换
直接反映在速度发生周期性变化
，
以 热系数的影响
，
及流体的脉动幅值
、
频率的变化
．
通常的研 究结果表
胡玉生明脉动流体会起到强化或弱化换热效果
，
等
［5］
，
得到了
N
u
数与温度梯度之间的关系
，
定义了
表征 速度场和温度场协同程度的场协同数
F
c
．
场协同理论提出以来
，< br>对于其在静止坐标系下
的应用研究得到了广泛的关注和发展
：
从抛物型方
程拓展到椭圆型方程
；
通过磁场改变方腔自然对流
强化换热
；
将传 递势容耗散极值原理应用于速度场
，
对流换热
，
获得了黏性耗散一定的条件下 的最优速
提出度场
；
把场协同理论的应用从层流拓展到湍流
，
采用多 纵向涡强化管内对流换热的场协同强化方
法
；
研究了脉冲流动和壁面振动问题中的传热 问题
，
提出为了改善速度和温度梯度场的协同
，
应使脉动
能改变垂直 于换热壁面方向的速度分量
．
也有学者将场协同理论应用于离心力场作用下
的三维流动 与传热问题以及旋转坐标下的流动换热
问题
［3］
通过数值模拟的方法对管内流体脉动 流动的分
析
，
结果表明阻力比无脉动时大
，
并且在流场中有与
主流区流动方向相反的流动现象
．
当无因次振幅不
变的情况下
，
换 热强化比随频率的增大逐渐增大
，
在
在高频率时变化不明显
，
但低频 率时变化较为明显
，
是频率较高时能够强化换热
，
而在频率较低时则会
有弱化换热的情况
．
同样
，
当频率不变的情况下
，
换热强化比是随着无因次振幅的增大先是逐渐下降然
在无因次振幅较低时
，
会弱化换 热
，
并后逐渐增大
，
振幅对换热效果的且振幅的影响不是很明显
．< br>相反
，
影响十分显著
，
并且随着振幅的增大
，
换热效 果逐渐
而且在流场中增大
．
因为脉动时阻力比无脉动时大
，
有与主流 区流动方向相反流动现象
．
这是造成流体
强化或弱化换热的原因
．
，
提出提高速度梯度场与温度梯度场的协同
关系
、
控制固体壁面对气流的做功< br>、
对通过系统的边
界传给系统的热流有直接影响
；
并指出改变边界条< br>件是控制速度场
、
温度场和压力场协同关系
，
实现传
热强化的 可行方法之一
．
1．3
有效能分析
有效能指的是动力设备对流体实际做功的那 部
流体因其不可逆性引起分能量
．
在管内对流换热中
，
导致能量贬值
，
即有效的流动摩擦阻力和温差传热
，
能的损失
．
当有传热 发生时
，
流体热物性随温度变化
而改变
，
使得速度的分布发生一定程 度的改变
，
速度
的变化反作用到流体的传热
．
在流体的热物性中，
黏
2
2．1
管内对流换热的实验研究
缩放管强化换热
缩放管是由依次交替的收缩段和扩张段组成
，
使流体始终在方向反复改变的纵向压力梯度作用下
流动
，
通过表面缩放来改变管内流体的流动状况以
达到换热的效果
．
在同等压力降下
，
流体的流动速度
模量
、
流动方向
、
湍流强度相较圆管内而言
，
缩放管

第
1
期 陈观生
，
等
：
管内对流换热影响因素及其强化分析
25
的传 热量会大幅度增加
．
黄维军等
［6］
也就是在使湍流脉动限制在靠换热面很近 的地方
，
边界层内
．
带交叉肋方形截面通道就是利用这个原
理通过内 置粗糙元以达到管内强化换热
．
针对交叉布置肋条和平行布置肋条强化效果比
较
，
邓斌等
［10］
研究表明
，
缩放管中的流体在流动
径向 速度很小
，
对传热影响不大
，
在湍滞流底层内
，
流主区，
各处的径向速度分布一致
，
与缩放管传热系
数的沿程分布没有直接联系
；
轴向速度是影响速度
但是其大小变化规律与传热矢量模量的决定因素
，系数的变化不一致
，
可以排除轴向速度的影响
．
剩下
过渡区内流 体的径向速度对缩放管内流体与固体壁
相应地表面传热的面间的对流传热起着决定作用
，
设法提高提高也受过渡区的湍流强度的影响
．
所以
，
近壁面区域的径向速度 与增大近壁面流体湍流度
，
是强化缩放管内的湍流对流传热的主要途径
．
研究
还得出
，
缩放管内空气的传热强化是过渡区径向速
度与湍流强度增强的结果< br>，
工程实际中应用的强化
其尺寸应以不超越流动过渡区高度气体传热技术
，为宜
．
2．2
金属泡沫管强化换热
金属泡沫管是一种新型的多孔材料．
张尉然
、
杨
卫卫等
［7-8］
进行了交叉布置肋条的 换热研究
，
结
高度越高
，
换热果表明交叉布置肋条布置角度越大，
但阻力也相应增大
．
取
45°
肋条的综合换热效增强
，
果较好
．
同时总结得出
，
在
Re
较低时
，
交叉布置的肋
条通道较平行布置的肋条有一定的强化换热效果
，
但在高Re
下并无优势
．
2．4
纳米流体强化换热
“Toms
效应
”
自从发现并被证明在液体湍流中
添加少量的添加剂会影响流体传热后
，
高分子聚合
物和某些表面活性剂经常被用作纳米流体添加剂来
使用
［11］< br>．1987
年蔡国琰等
［12］
的流体黏弹性对湍流
黏弹性会降低流体 流动与传热的影响的研究发现
，
的换热性能
，
黏弹性对换热系数的影响与普朗 特数
随着普朗特数增加
，
黏弹性影响加和雷诺数有关
，
强
；
随雷诺数增加
，
影响变弱
．
根据国内外的研究表
明
，
表面活性剂的加入使湍流在减阻的同时对流换
热系数也大幅度降低
．
另一方 面也发现
，
表面活性剂
利用该性质可溶液具有剪切可逆性及温变可逆性
，以对其湍流的对流换热进行控制
．
总之
，
在流体中加
入纳米材料 后流体的对流换热系数明显提高
，
随着
雷诺数的增加换热系数还呈线性提高
2 ．5
高压电场强化换热
电场强化换热以其非常小的能耗取得相当好的
20
世纪
70
年代以强化效果
，
有着诱人的应用前景
，
来
，
国外研究者在该领域内进行了大量的基础性研
并逐渐进行应用性研究
．
究，
电场对流体换热主要有四个方面的影响
，
焦耳
热
、
库 仑力
、
介电泳力和电致收缩力
，
在绝缘性流体中
故库仑力
、
介电泳力焦耳热远小于其它三项的影响
，
和电致收缩力为主导因素影响着电场对流体换 热
．
有机流体在外加直流高压电场的作用下
，
电场
能对管内层流强制 对流换热起着很好的强化作用
．
利用高压电场目的是增加在管内层流流动的流体的
变层 流为湍流
．
刘振华等紊乱程度
，
［14-15］
［13］
指 出
，
利用多孔材料调整流场分布
，
可以
减薄边界层厚度
，< br>有效增强换热
．
金属泡沫是采用烧
结等工艺将金属泡沫与金属管壁紧密结合而形 成的
而金属泡沫是一种高孔隙率的特新型强化换热管
，
其中固体
（
如 铜
、
铝
）
和流体
（
如空气殊多孔介质
，
或 水
）
的导热系数常常相差很大
．
近年来
，
相关专家
学者致力于多空金属泡沫中流动和换热机理的研
如对金属泡沫方形通道内空气的强制对流换热究
，
进行了实验研究和数值模拟等
．
这种管的管内孔隙
孔密度
、
导热系数比和雷诺数等不同参数对流动率
、
和换热都有不同程度的影响
，
李 盈海等
［9］
．
因此
，
添
加纳米材料也是强化流体换热的一 大途径
．
研究表
使截面流明
：
金属泡沫可以大大减薄边界层的厚度< br>，
截面温差也很小
．
泡沫管的体速度分布十分均匀
，
平均努谢 尔特数随孔隙率的减小或孔密度的提高而
增大
，
随流体和固体导热系数比的减小而增大
．
当系
数比
＞0.1001
时
，
采用低孔密度的金 属泡沫既可以
强化换热
，
同时也可以大大减小压降
．
采用金属泡沫< br>但相对同时管内流体阻力增管可以大大强化传热
，
加也会很多
．
2．3
带交叉肋方形截面通道换热
一直以来人工粗糙元被认为是强化换热的一项
有效的技术< br>．
通常
，
粗糙元是一些小的凸起物
，
按照
一定的角度
，
周期性地布置在需要强化换热的换热
面上
．
粗糙元能使流体的流动 形成湍流而强化换热
，
同时也会引起阻力增加
．
为了不使阻力增加过多
，
应
在气体和
再对高黏度一般低黏度的有机流体的研究基础上
，
的 油在高压电场强化管内强制对流换热的实验研究
外加高压电场能对管内层流强制对流换热起表明
，
着很好的强化作用
，
并得出其换热系数强化率主要

26广东工业大学学报第
29
卷
与外加电场强度及热通量等因素有关
．
因为在相同
传热面积和泵功条件下
，
换热系数强化率随着外加
直流电压几乎 呈指数关系变化
，
在较小的外加电压
下
，
对流换热强化率较低
，
而且强化率基本不随高温
通量而变化
，
相对地在较大的外加电压下
，
换热强化
率较高
，
但是随着热通量的增大
，
强化率也有 很大影
有良好的响
．
所以外加直流电压的提高换热强化率
，
综合强化 效果
．
2．6
旋转流体强化换热
应用流体旋转法也是流体管内强制对流换热的
有效强化方法之一
．
目前国内外在研究旋转流体都
普遍采用滚压成型的螺纹槽 管
，
增加旋转流体的流
动路径
，
使管内流体发生旋转运动
，
增加贴近壁面的
同时还可改变整个流体的流动结构
，
使流流体速度
，
体在管内停留时间延长
，
加强边界层流体的扰动以
及边界层流体和主流流体的 混合
，
因而使传热过程
得以强化
．
但是
，
并不是螺 纹头数越多就能达到越好
一般螺纹头数不宜超过
3
头
，
同时螺纹的换 热效果
，
高度也不宜过大
，
应控制在
hd=0.03～0.04左
右
［16］
加
70%～120%．
3
太阳能中高温热 利用管内对流换热
近年来
，
太阳能中高温热利用如太阳能热发电
技术日益受到 人们的重视
，
吸热器是关键设备之一
，
通常采用管内对流换热方式来加热热流 体
．
由于太
阳能中高温热利用的聚光温度高达数百甚至上千摄
而管内被加热的 热流体温度通常在数百摄氏氏度
，
因此吸热器的管内对流换热温差一般在
100℃度
，
以上
．
已有管内对流换热及其强化的研究大多在中
低温差的 条件下
（
通常小于
50℃）
进行
，
所得实验
不能直 接关联式及其相关结论也具有一定局限性
，
用于太阳能中高温热利用中吸热器的设计
，
或者具
有较大的误差
．
因此有必要对聚光型太阳能中高温
热利用系统 中吸热器大温差下管内对流换热及其强
化方法进行研究
，
获得较为专门和精确的实验关 联
以推动聚光型太阳能中高温热利用技术的发展
．
式
，
4
结 语
上述管内对流换热的影响因素及管内换热的强
，d
为直径
．
因为在 相同
Re
式中
h
为螺纹高度
，
数时
，
单头 螺纹主要使边界层流体旋转
，
而多头螺纹
能使边界层流体和主流体一起产生强烈的旋转
，
使
流动缓慢的边界层流体旋转有利于强化传热
．
众所
主流 流体一般都是湍流
，
传热系数比较大
，
因周知
，
此主流体的 旋转对强化传热作用不大
，
更甚者徒然
这时会起到反效果
．
增加了流 体的流动阻力
，
2．7
微结构强化换热
当今微电子
、
微能源 以及生物芯片等行业对微
型的高效换热器有着迫切的需求
，
从而带动了利用
其 中以微结构对微型换热器进行强化换热的研究
，
微通道最为常用
．
刘志刚等< br>等
［18］
［17］
可以作为太阳能中高温热利用系统中换热化研究
，
并器尤其是吸热器设计及其强化换热手段的借鉴
，
在此基础上开展面向太阳能中高温热 利用的大温差
管内对流换热及其强化的研究
．
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对低雷诺数下微

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柱群通道内对流换热的影响进行了研究
，
对
R123制冷剂流经微肋管的对流换热特性进
［19］
行了研究
．
唐慧敏等讨论了 锯齿形硅微通道强化换热
的机理
，
发现锯齿形微通道内流动摩擦常数和换热
努 塞尔数较平直微通道均有明显提高
，
且提高幅度
随雷诺数
Re
增加而 增加
，
相同泵功条件下锯齿形微
通道换热热阻显著下降
．
李晓伟等< br>［20］
实验研究了微
肋管在过渡区及湍流区的换热及阻力性能
，
并针 对
微肋管在过渡区的换热强化较差的特点改进其结
改进后的微肋管在
2300＜Re＜
构
．
实验结果表明
，
10000
时比原微肋管强化换热提高
120%，
阻力增
（
下转第
31
页
）

第
1
期邢瑞山
，
等
：
九节点
Hamil ton
等参元列式
31
4
结论
R
变分原理
，
本文基于弹性材料修正后的
H-
将
［5］QingGuang- hui，QiuJiau-jun，LiuYan-hong．Freevibra-
tionanal ysisofstiffenedlaminatedplates［J］．International
2006，43（6）：1357-1371．JournalofSolidsandStructure，
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卿光辉
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式
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平面九节点四边形等参元作为基函数
，
建立了九节
点
Hamilton
等参元列式
，
弥补了四节点单元收敛性
慢
、
插值精度低的缺点
，
同时也克服了八节点等参元
柔性差的缺点
．
使得用不规则单元网格划分板件的
高精度高柔性的有限元求解方法在
Hamilton
正则方
程的半解析法中得以实现
．
将九节点等参有限元法
引入了辛体 系
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同时
Hamilton
正则方程的半解析法
得到了拓展
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