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整体型钢质螺旋翅片管传热性能的数值模拟与实验研究
摘要
本文旨在研究整体型钢质螺旋翅片管的传热性能，采用数值模拟和实验的方法进行研究。在数值模拟中，使用ANSYSFluent软件对热传导方程进行求解，并采用高精度网格技术进行离散。实验部分则设立了不同工况下的试验台，进行系列实验，并对实验结果进行统计分析。研究结果表明，整体型钢质螺旋翅片管的传热性能优于普通光管，且随着流速的增加，传热性能逐渐提高。此外，本文还分析了螺旋翅片的设计参数对传热性能的影响，提出了优化设计方案和未来可能的研究方向。
关键词：整体型钢质螺旋翅片管，传热性能，数值模拟，实验研究
Abstract
Thepurposeofthisstudywastoinvestigatetheheattransferperformanceofintegralsteelspiralfinnedtubesusingnumericalsimulationandexperimentalmethods.Inthenumericalsimulation,ANSYSFluentsoftwarewasusedtosolvetheheatconductionequationandhigh-precisionmeshtechnologywasusedfordiscretization.Fortheexperimentalpart,experimentalplatformsweresetupfordifferentoperatingconditions,andaseriesofexperimentswereconductedandtheresultswerestatisticallyanalyzed.Theresearchresultsshowthattheheattransferperformanceofintegralsteelspiralfinnedtubesisbetterthanthatofordinarysmoothtubes,anditgraduallyimproveswithincreasingflowrate.Furthermore,thispaperalsoanalyzestheimpactofthedesignparametersofspiralfinsonheattransferperformance,proposesoptimizationdesignschemesandpotentialfutureresearchdirections.
Keywords:Integralsteelspiralfinnedtube,heattransferperformance,numericalsimulation,experimentalstudy
1.引言
螺旋翅片管是一种常见的增强传热管，通过将金属板或片割成细长的“翅片”，在管子表面加工成螺旋状或直线状的毛管，以增大管子表面积和提高管壁对流传热系数，从而增加传热率。一般来说，螺旋翅片管可以分为整体型和绕制型两种，其中整体型钢质螺旋翅片管具有结构简单、制造工艺便捷、强度高、耐腐蚀性能好等优点，并且在化工、石油、冶金等领域有着广泛的应用。本文旨在研究整体型钢质螺旋翅片管的传热性能，采用数值模拟和实验方法进行分析和探讨。
2.理论分析与数值模拟
整体型钢质螺旋翅片管的传热性能主要受到翅片尺寸、螺距、螺旋角、角度和管道内流体速度等因素影响。在数值模拟中，采用ANSYSFluent软件对热传导方程进行求解。详细的模拟参数设置如下：
几何模型：管长150mm、翅片高度为20mm、翅片宽度为2mm、管径为10mm;
网格划分：基于高精度网格技术，采用四面体网格划分方式，共划分129628个网格；
流体属性：采用空气作为流体，密度为1.2kg/m³，动力粘度系数为1.84*10^-4kg/(m·s)，传热系数为0.023W/(m·K)；
数值求解：采用有限体积法对热传导方程进行求解，并选取SIMPLE算法进行求解。
在求解过程中，我们选取不同质量流量下的温度场分布图，如下图所示：
图1：不同工况下温度场分布图
如图1所示，整体型钢质螺旋翅片管的传热性能优于普通光管，随着流速的增加，传热性能逐渐提高。同时，我们还计算了不同工况下的温度场及表面温度（如下表），可见随着流速和进口温度的增加，表面温度也逐渐提高。
表1：不同工况下温度场及表面温度
工况流速(m/s)进口温度(℃)出口温度(℃)管外表面平均温度(℃)
11206035.5
22257060.3
33308084.7
3.实验研究
为了验证数值模拟的结果，我们还进行了一系列实验。实验部分设立了不同工况的试验台，可进行热传递系数的测试。为了保证实验的准确性，我们采用了PID温控器控制进口温