椭圆管内对流换热与流动阻力特性研究
人才工作总结-我收获了知识
带 燕能工程
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００２—１６３９．２０１
０．０４．００４
工业加热））第３９卷２０１０年第４期
椭圆管内对流换热与流动阻力特
性研究
王珊珊，徐文强，胡永海
（上海理工大学能源与动力工程学院，上海２０００９３）
摘要：通过ＣＦＤ技术，分别对５种长短轴之比的椭圆管管内湍流和层流状态时的换热与流动进行数值
研究，分
析了流体流动状态和椭圆管长短轴之比对换热系数与流动阻力的影响，并根据数值计算结果拟
合出湍流区椭圆
管管内换热系数的准则关系式，最后绘制每种类型椭圆管的局部换热系数曲线。研究结
果表明：数值计算结果
与实验值吻合良好；采用当量直径的方法计算椭圆管内换热系数误差较大；随着
雷诺数的增加，每种类型的椭
圆管管内阻力系数逐渐减小；而在相同的雷诺数下，随着长短轴之比 的
增大，管内阻力系数逐渐增ＪＪｎ；每种类
型的椭圆管具有类似的局部换热特性，即长半轴两端点处局
部换热系数最低，而短半轴两端点处具有最大局部
换热系数。
关键词：椭圆管；对流换热；
阻力特性；局部换热；数值计算
中图分类号：ＴＫ１２４ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００２－１
６３９（２０１０）０４—００１３—１６
Ａ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｈｅａｔ Ｔｒａｎｓｆｅｒ ａ
ｎｄ Ｆｌｏｗ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｉｎ Ｅｌｌｉｐｔｉｃａｌ Ｔ
ｕｂｅｓ
ＷＡＮＧ Ｓｈａｎ—ｓｈａｎ，ＸＵ Ｗｅｎ－ｑｉａｎｇ，ＨＵ Ｙｏｎｇ—ｈａｌ <
br>（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｈａ
ｎｇｈａｉ ｆｏｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００９３，Ｃ
ｈｉｎ￣
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ａｎｄ ｌｆｏｗ ｉｎ ｅｌ
ｌｉｐｔｉｃａｌ ｔｕｂｅｓ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ａｘｉｓ ｒａｄｉｏ Ｋ ａｒｅ ｉｎｖ
ｅｓｔｉｇａｔｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ Ｆｌｕｉｄ Ｄｙｎａｍｉ
ｃｓ
（ＣＦＤ）ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ａｎａｌｙｓｅ ｆｌｏｗ ｓｔａｔｅ ａｎｄ ａｘｉ
ｓ ｒａｄｉｏ Ｋ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｎ ｈｔｅ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ａｎｄ ｌｆｏｗ，
ａ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｅｑｕａｔｉｏｎｓ ｏｆ ＮＵ（Ｎｕｓｓｅｌ０＝ｆ
（Ｒｅ）ｉＳ
ｇｉｖｅｎ．Ａｔ ｌａｓｔ，ｆｉｖｅ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｅｌｌｉｐｔｉｃａｌ ｔｕｂｅｓ’１ｏｃａ
ｌ ｃｏｎｖｅｃｔｉｖｅ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｒｅ ｓｈｏ
ｗｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ
ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｂａｓｉｃ
ａｌｌｙ ｔａｌｌｉｅｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｖａｌｕｅ ｏｆｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏ
ｎ．Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｄｉａｍｅ￣ｒ ｍａｙ ｌｅａｄ ｔｏ ａ ｇｒｅａｔ ｅｒｒｏｒ ｗｈｅ
ｎ ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ
ｃｏｅｆｉｆｃｉｅｎｔ ｏｆ ｄｉｆ
ｆｅｒｅｎｔ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｅｌｌｉｐｔｉｃａｌ ｔｕｂｅｓ．Ｗｉｔｈ ｈｔｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ
ｏｆ ａｘｉｓ ｒａｄｉｏ Ｋ，ｃｏｎｖｅｃｔｉｖｅ ｈｅａｔ ｒｔａｎｓｆｅｒ ｃｏｅｆｉｆｃｉ
ｅｎｔｓ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ，ｗｈｉｌｅ ｆｌｏｗ
ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｃｏｅｆｉｆｃｉｅ
ｎｔｓ ａｌｓｏ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｉｎ ｈｔｅ ｓａｍｅ ｒｅｙｎｏｌｄｓ ｎｕｍｂｅｒ．Ｉｔ
ｉＳ ｆｏｕｎｄ ｔｈｅ ｌｏｃａｌ ｃｏｎｖｅｃｔｉｖｅ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｃｏｅｆｉｆ
ｃｉｅｎｔｓ ｒａｅ ｓｉｍｉｌａｒ ｆｏｒ ｆｉｖｅ
ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｅｌｌｉｐｔｉｃａ
ｌ，ｔｈａｔ ｉｓ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｃｏｅｆｉｆｃｉｅｎｔ ｉｓ ｌｏｗｅｓｔ ａｔ ｈ
ｔｅ ｐｏｉｎｔ ｏｆ ｓｅｍｉ—ｍａｊｏｒ ａｘｉｓ，ａｎｄ ｉｔ ｈａｓ ｇｒｅａｔｅｓｔ ｈｅ
ａｔ ｒｔａｎｓ￣ｒ ｃｏｅｆｉｆｃｉｅｎｔ ｉｎ ｔｈｅ
ｃｅｎｔｅｒ ｏｆｔｕｂｅ． <
br>Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ．ｅｌｌｉｐｔｉｃａｌ ｔｕｂｅ；ｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎ ｈｅａｔ；ｆｌｏｗ
ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ；ｌｏｃａｌ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｃａｌｃｕｌａｔｉ
ｏｎ
以前，由于椭圆管制造困难且承压能力较低，在工
当量直径的方法会导致较大的误差＿
７］，诸如有一个或两个
程上一直未得到广泛的应用。近年来，随着对节能工作
小角度的三
角形管，卡尔森（Ｃａｒｌｓｏｎ）和欧文（Ｉｒｖｉｎｅ）ｔ８ｊ
的重视及制造技术的不断提高，椭
圆管换热设备在工业
对三角形通道应用水力直径概念的限制做了讨论。本文
中的应用越来越
广泛，目前，在一些中低压场合下，已
研究发现椭圆管管内换热系数的计算采用当量直径的方
出现了很大钢制椭圆管矩形翅片空冷器、钢制椭圆管散
法计算误差较大。因而，针对不同长短轴之比
的椭圆管
热器、椭圆重力水热管及椭圆翅片管换热器。众多的文
提出相应的对流换热关联式
和阻力系数关联式至关重要。
献［卜４］也显示，椭圆管作为一种异型换热元件，有着 基于上述原因
，本文分别建立不同长短轴之比的椭
许多独特的优点。如椭圆管具有流线形状，迎流面小，背
圆管几何模型，利用ＣＦＤ技术，对管内湍流和层流流动
流面涡流区小，从而阻力大大减低。文献［
５－－６】表明当
状态下的换热与流动进行数值模拟，分析了流体流动状
Ｒｅ＝ｌ０４～２
ｘ １０ 时，长短轴之比Ｋ＝２椭圆管的阻力系
态和长短轴之比对换热系数与流动阻力的影响，首
次拟
数仅为圆管的５８．３％；在相同的流道截面下，可以布置更
合出椭圆管管内Ｎｕ关联
式：Ｎｕ＝ｆ（Ｒｅ）。最后，绘制局部
多的椭圆管，从而可以提高换热器的紧凑性，这在很多 Ｎｕ
沿管壁垂直于轴向的变化趋势。这些研究不但有助于
对换热器空间尺寸要求比较严格的特殊工况下具有
很大
优化椭圆管的设计，而且有助于对这类异形管的换热与
意义，同时也可以节约原材料。
流动特性的认识，为椭圆管今后在管壳式换热器、管翅
对于非圆形截面管内湍流换热计算在
工程上采用当 式换热器上的推广起到积极的借鉴作用。
量直径作为特征尺寸，从而应用圆管管内湍流
换热的准
则关联式，但是当截面上出现尖角的流动区域时，应用
ｌ数值方法
本文
固定椭圆管周长为１０５．１ ｍｍ，管长３００ ｉｎｌｉｌ，即
收稿日期：２０１０－０２－ｏ１
；修回日期：２０１０—０３—１７
相同的换热表面积，对于不同长短轴之比 的椭圆管尺寸
作者简介：王珊珊（１９８３一），女，陕西省西安市人，在读硕士，研
如表１所示。
究
方向：颗粒与两相流，强化换热，计算流体力学．
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