圆管螺旋流的流动与传热数值模拟

圆管螺旋流的流动与传热数值模拟内容摘要：

e=4174) 从图 4可以看出 : (1)轴向速度在入口处基本从中心向两侧管壁逐渐 增大随着旋流向下发展呈现相反的规律 .轴向动量主要 热能工程工业加热》第 36卷 2020年第 3期 集中在管中心处 ,在管壁处具有最小值 ,轴向速度呈单 峰型分布 ,随着旋流向 下发展轴向速度分布曲线愈来愈 i『Ⅱ平坦 . (2)切向速度以管道中心为轴的对称分布 ,从中心 向两侧管壁逐渐增大 ,这种对称并不是严格的轴对称分 布 ,旋流中心与管道中心不重合 .随着衰减峰值逐渐减 小且向轴线偏移 . (3)径向速度近似以中点进行反对称分布 ,随着旋 流向下发展径向速度分布曲线愈来愈加平坦 . 一 { O (4)绝对速度的分布规律与轴向速度分布类似 ,说 明轴向速度这三个分量中占统治或者主导作用 . (5)径向速度与轴向及切向速度相比 ,在数量级上 看 ,要小 一个数量级 ,说明直径方向的速度对整个速度 的影响很小 . (6)由于切向速度的存在 ,使得螺旋流的流线以及运 动结构与管内直流相比 ,发生了根本性的变化 ,同时存 在流体旋转与流线弯曲 ,甚至存在回流 . 一 r/R (a)轴向 r|Rr|R (b)径向 (c)切向 图 4Re= 10导入管径为 从图 5可以看出 : (1)各个方向的衰减特性不同 ,轴向衰减速度大于径 向 . (2)衰减的长度取决于切向速度以及轴向速度 ,同时 也就表明起旋的方式对于速度的衰减具有决定性的作用 . 一 般在 20殖右 ,螺旋流急剧衰减完毕 . (3)绝对速度衰减的拟合公式为 Uo=[ exp(】 轴向速度衰减的拟合公式为 /Uo=+[ exp()】 径向速度衰减的拟合公式 v/Uo=+ exp(一 )+ exp(一 ) (4)从拟合公式以及衰减曲线来看 ,螺旋流的衰减 符合指数曲线的规律 .这为其 他形式的起旋方式的速度 衰减提供了方向 . — ◆ _一绝对速度拟合 — ■一绝对速度原始数据 — ●一轴向速度拟合 一轴向速度原始数据 — 卜径向速度拟合 —— ?一径向速度原始数据 20406O8O1 x/d 图 5导入管径为 ,Re=14910 各方向速度沿管长衰减及拟合曲线 ^分布特性分析 从图 6～图 7,可以看出 (1)螺旋流的局部明显地要优于无旋圆管直流 . 其原因为受较大的离心力 ,将流体向壁面方向移动 .与 此相应 ,在切向速度的作用下直接紧靠壁面的流体层将 向离开壁面的方向移动 .因此 ,在靠近壁面的流体层中 , 离心力的作用将使流体的湍流混合加强 ,这对于强化管 内的换热是有利的 . (2)在某一特定段内螺旋流的局部急剧衰减 ,而 这个特定段的长度与 Re 有很大的关系 ,在同一条件下 , Re 不同 ,该长度不同 ,其随 Re 数的变化成正比 .一般在 20d~右急剧衰减完成 . (3)小导入管的螺旋流的强化传热能力要大于大导 入管的强化能力 .其原因为受较大的离心力 .离心力的 作用将使靠近壁面流体的湍流混合加强 . (4)在不同的 Re 下 ,其余条件相同时 ,局部数具 有相同的分布形式 .差别在于数值的大小 . 图 6不同 Re 下导入管径为 M39。 分布图 29 }● rL● l1O654321O%168。 168。 o /,l 热能工程《工业加热》第 36卷 2020年第 3期 图 7导入管径分别为 , 的螺旋流的局部努谢尔特数比较 由于边界层难于绘出 ,转化为速度梯度的形式来表 述 .从图 8～图 10,可以看出 : (1)螺旋流的靠近壁面的速度梯度的变化要明显地 优于无旋圆管直流 .从而间接说明了螺旋流的边界层的 厚度要小于无旋圆管直流 .(2)小导入管的螺旋流速度 梯度的变化要大于大的导入管的螺。