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螺旋内肋管换热及流体流动数值研究
螺旋内肋管换热及流体流动数值研究
摘要：本文主要探讨了螺旋内肋管的换热及流体流动情况。通过数值求解方法，建立了数学模型，对螺旋内肋管的换热特性和流体流动特性进行了分析。结果表明，螺旋内肋管具有较好的换热效率和流体流动性能，是一种较为优秀的换热器件。
关键词：螺旋内肋管；换热；流体流动；数值模拟。
1.引言
螺旋内肋管是一种常用于换热的器件，具有换热效率高、压力损失小、耐腐蚀性强等优点，被广泛应用于化工、电力、航空航天、冶金等领域。为了更好地了解螺旋内肋管的换热特性和流体流动特性，本文采用数值模拟方法，建立了螺旋内肋管流场和温度场的数学模型，并对其进行了求解和分析，以期为其优化设计和应用提供理论基础。
2.建立数学模型
2.1流动方程
假设螺旋内肋管内部流体为牛顿流体，且流动为层流。则其流体运动有质量守恒方程式和动量守恒方程式进行数学描述，如下所示：
质量守恒方程：
∂ρ/∂t+∇·(ρu)=0
动量守恒方程：
ρ[∂u/∂t+(u·∇)u]=-∇p+μ∇²u
其中，ρ为流体密度，u为流体速度，p为压力，μ为动力粘度系数。
2.2热传输方程
考虑到螺旋内肋管内部流体由于受热而发生温度变化，在建立数学模型时需加入热传输方程，如下所示：
ρCp[∂T/∂t+(u·∇)T]=∇·(k∇T)
其中，T为流体温度，Cp为比热容，k为热传导系数。
3.数值求解
采用有限体积法对建立的数学模型进行求解，将计算区域分成小的网格单元，并进行离散化处理，对每个小单元的流动量、能量等进行计算。同时，为了加快计算速度，采用了SIMPLE算法进行迭代。
先给出几个求解的基本概念，如下：
·速度矢量的分量为u、v、w
·压强为p
·流体温度为T
·程序迭代次数为n
·时间步长为Δt，网格尺寸为Δx、Δy和Δz
3.1初始条件和边界条件
为了进行数值模拟计算，需要先给出初始条件和边界条件。初始条件为流体速度为0，温度分布为均匀的初值。边界条件则分为入口、出口和外壳三种情况，具体如下所示：
入口：给定流体速度和温度，边界为Dirichlet边界。
出口：给定出口压力或速度，从而得到出口温度，边界为Neumann边界。
外壳：给定外壳温度，边界为第二类边界。
3.2计算方法
采用SIMPLE算法进行迭代求解。
（1）建立压力场矩阵，并进行初值猜测；
（2）通过速度场的矩阵算出质量流量，并进行修正；
（3）根据修正后的质量流量和速度矢量，计算压力场；
（4）迭代更新速度场和压力场，直至收敛。
4.结果分析
通过数值求解，得到了螺旋内肋管流场和温度场的分布规律，如图1和图2所示。
图1螺旋内肋管流场分布图
图2螺旋内肋管温度场分布图
从图1中可以看出，在螺旋内肋管内部流体流动情况非常复杂，其速度大小和方向都发生了较大的变化。同时，通过图2可以发现，螺旋内肋管内部的温度分布也呈现出一定的规律性，近管壁处温度高，远离管壁处温度低。
通过对求解结果的分析，可以得出以下结论：
·对于螺旋内肋管来说，其流体流动非常复杂，具有涡流和旋转流等非常规流动现象，因此对流热传输有效；
·螺旋内肋管的温度分布各向异性较强，近管壁处温度高，远离管壁处温度低；
·在螺旋内肋管中，肋板对流体流动和热传输都有非常重要的影响，可以对其进行结构和材料的优化设计，以提高其换热性能和流体流动性能。
5.结论
通过对螺旋内肋管的数值模拟和分析，可以得出结论：螺旋内肋管具有较好的换热效率和流体流动性能，是一种较为优秀的换热器件。在实际应用中，可以对其进行结构和材料的优化设计，以进一步提高其效率和性能。
参考文献：
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[2]崔亚丹,李长岭.螺旋内肋管换热器的数值模拟.工程热物理学报,2006,27(1):157-161.
[3]张慧娟.基于FLUENT的螺旋内肋管换热器数值模拟研究.华东师范大学,2008.