图1 普通扭带、格栅扭带和三边扭带结构示意图
Fig.1 Schematic diagram of typical twisted tape, grid spiral tape and 3-edge twisted tape
摘 要：为了提高内置扭带管的综合性能，开发了一种三边扭带，并对空管、普通扭带管、格栅扭带管及三边扭带管内流体流动与传热特性进行了数值模拟.以水为工质,采用RNGk-ε湍流模型，扭带扭率y=2.0，取Re=5 000～30 000，计算了扭带管内努赛尔数Nu、阻力系数f和综合性能评价因子η，与同工况下空管进行了对比.结果表明，相比于空管、普通扭带管和格栅扭带管，三边扭带管的综合性能较好，其η值比空管高出11.9%～33.2%.
关键词：普通扭带；格栅扭带；三边扭带；强化换热；数值模拟
采用强化换热技术提高换热器效率是当前换热器研究领域的一项重大课题.管内插入扭带是一种简单实用的强化传热技术.Manglik、Bergles[1-2]以及Samar等[3]较早地通过实验研究了螺旋扭带的强化传热特性，并总结出内置扭带管强化传热的3种机理：①当量直径的减少引起流体流速的增加；②螺旋结构引起流体流程的增加；③管内二次流引起管壁切应力的增大并增强了流体的掺混.朱登亮等[4]模拟研究了扭带管内传热系数、压降与雷诺数及湍流动能的关系,提出应使换热器的湍流动能限制在一定的范围内,以获得较好的综合性能.张琳等[5-6]模拟了自旋扭带管内流体流动及传热特性，发现扭带管内流体近壁区域轴向、切向、径向速度和湍流强度的加大，强化了管内的对流传热.王特等[7]模拟研究了多种内置交替轴扭带管内层流换热特性，发现交替轴窄边中空扭带具有较好综合性能.
国内外学者研究表明[8-10]，管内插入扭带在强化换热的同时，流动阻力也迅速增大，强化传热综合性能欠佳，同时对于不同类型内置扭带管的性能对比研究较少.因此，笔者开发了一种三边扭带，并运用CFD软件模拟研究了普通扭带管、格栅扭带管及三边扭带管内的流体流动与传热特性,并与空管进行了对比分析，用流体流动和传热理论对内置扭带管的综合性能进行分析评价.
1.1 几何模型
普通扭带、格栅扭带和三边扭带如图1所示.
图1 普通扭带、格栅扭带和三边扭带结构示意图
Fig.1 Schematic diagram of typical twisted tape, grid spiral tape and 3-edge twisted tape
普通扭带的几何参数主要有：扭带宽度b，扭带半节距H，即扭带扭转180°对应的长度，扭率y=H/d.在普通扭带上面间隔铳轧出一定尺寸的方孔就形成了格栅扭带，方孔沿轴向均布；三边扭带是将三片金属薄板焊接后扭曲而成，邻边夹角为120°.
内置扭带管的全流道模型主要参数有：换热管内径d=20.0 mm，全长L=600 mm，进出口留有20 mm空管段，所有扭带厚度t=1.0 mm，扭带半节距H=40.0 mm，扭带宽度b=18.0 mm，扭率y=2.0，三边扭带边高m=9.0 mm，格栅扭带开孔边长e=16.0 mm，模拟的流体Re=5 000～30 000，对应的流体流速为0.25～1.5 m/s.
1.2 模拟方法及模型验证
分别建立普通扭带管、格栅扭带管及三边扭带管及空管的几何模型，划分六面体网格，并对近壁面网格细化处理.划分5套网格，计算Re=10 000时的Nu和f.当网格数量为72.84×104时即可满足网格无关性要求.为保证模拟精确，选择网格数目为140.76×104.流道采用速度进口，压力出口，管壁面温度设为330 K，扭带表面设为绝热壁面.
模拟Re=5 000～25 000时的Nu与f值，并与Manglik and Bergles经验公式[2]进行了对比，结果如图2所示.模拟得到的Nu值与实验值最大误差在10%以内；模拟得到的f值与实验值误差大部分都在15%以内，因此模拟结果满足准确性要求.
图2 数值模拟结果与实验结果对比
Fig.2 The comparison of simulation and experiment
2.1 速度与温度分布特性
图3为内置扭带管轴向速度分布云图.图3显示：三边扭带管内两侧区域流体速度变化剧烈，速度梯度较大，普通扭带次之，格栅扭带较小.图4为内置扭带管中心横截面速度分布云图.图4显示：各种扭带管内流体的速度分布均呈漩涡状，而三边扭带管内流体呈现3个螺旋流动.可见三边扭带的旋流作用较强，从而使流体产生径向及切向流动，加强了壁面区流体与中心区流体的掺混，管内速度梯度较大.格栅扭带因中心开孔较大，导致旋流作用较弱，速度梯度较小.
图5为扭带管轴向温度分布云图.图5显示：三边扭带管内低温区长度较短，格栅扭带管低温区长度较长.图6为中心横截面的温度分布云图.图6显示:三边扭带低温区面积较小，温度梯度较大，热流密度较高；格栅扭带的温度分布状况较差，主要是因为中间开孔的阻隔减弱了流体的旋流，从而减弱了壁面区流体与中心区流体的掺混，造成温度梯度较小，对流换热效率较低.
2.2 传热和阻力性能分析
3种内置扭带管及空管的Nu随Re的变化规律如图7所示.结果表明：同等条件下，三边扭带管的Nu较大，比空管提高70%～116%，比普通扭带管提高8.34%～9.72%，普通扭带管和格栅扭带管的Nu相差不大.
3种内置扭带管及空管的阻力系数f随Re的变化规律如图8所示.由图8可以看出，三边扭带管的f高于普通扭带管，低于格栅扭带管.格栅扭带呈现较大f值的原因在于：流体流经开孔处时，由于管中心低压区的存在，使周围高压区的流体产生流经方孔的横向流动，扭带区域内的流体速度分布混乱，致使流动阻力增大，同时因为中间肋的阻碍作用也使得流动阻力进一步增大.
图3 空管及内置扭带管轴向速度分布云图
Fig.3 The contour plots of velocity on the axial plan of tubes
图4 空管及内置扭带管中心横截面速度分布云图
Fig.4 The contour maps of velocity on the middle cross-section plan of tubes
图5 空管及内置扭带管轴向温度分布云图
Fig.5 The contour maps of temperature on the axial plane of tubes
图6 空管及内置扭带管中心横截面温度分布云图
Fig.6 The contour maps of temperature on the middle cross-section plane of tubes
图7 内置扭带管Nu随Re的变化规律
Fig.7 The variation of Nu of tubes with twisted tape inserts
图8 内置扭带管f随Re的变化规律
Fig.8 The variation of f of tubes with twisted tape inserts
2.3 综合评价及场协同分析
基于等泵功评价指标，用综合性能评价因子η来评价不同内置扭带管的综合性能，η越大表明其综合性能越好，η的定义如下：
.
根据场协同原理[11-12]，提高速度矢量和温度梯度矢量的协同程度可强化传热，采用场协同数Fc[13]来分析流场的协同程度，Fc越大，表明整个流场的协同性越好.Fc的定义如下：
.
不同扭带管的综合性能评价因子η随Re的变化规律如图9所示.可以看出，在模拟Re范围内，各内置扭带管的综合评价因子η随着Re增加而降低，这是由于随着雷诺数的增加，管内流体滞留层减薄到一定程度，通过破坏边界层的方式进行强化换热的能力逐渐弱化.Re=5 000～15 000时，各扭带管的η值在1.0～1.33，强化换热效果明显；Re>15 000时，只有普通扭带和三边扭带的η值在1.0以上，三边扭带管的η值较大，比空管高出11.9%～33.2%.
不同扭带管的场协同数Fc随Re的变化规律如图10所示.可以看出，场协同数Fc随着Re的增大而减小，说明流速越高，场协同性能越差.通过对比发现，三边扭带管的场协同数较大，流体的整场协同性较好；普通扭带管和格栅扭带管的场协同数相差不大，均小于三边扭带管.
图9 各内置扭带管η随Re的变化规律
Fig.9 The variation of η of tubes with twisted tape inserts
图10 各内置扭带管Fc随Re的变化规律
Fig.10 The variation of Fc of tubes with twisted tape inserts
为了提高内置扭带管的综合性能η值，开发了一种三边扭带，同时模拟研究了空管、普通扭带管、格栅扭带管以及三边扭带管内的流体流动与传热特性，得到的主要结论如下：
(1)3种内置扭带管的Nu均随着Re的增大而增大，同等条件下三边扭带管的Nu较大，比空管提高70%～116%，比普通扭带管提高8.34%～9.72%，普通扭带管和格栅扭带管的Nu相差不大.
(2)3种内置扭带管的f随着Re的增大而递减，同等条件下三边扭带管的阻力系数f高于普通扭带管，低于格栅扭带管.
(3)在模拟的雷诺数范围内，三边扭带管的综合性能η较好，比空管高出11.9%～33.2%；格栅扭带的综合性能η较差，Re>15 000时，格栅扭带的η值小于1.0.
(4)三边扭带管的场协同数较大，流体的整场协同性较好；普通扭带管和格栅扭带管的场协同数相差不大，均小于三边扭带管.
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Abstract：In order to improve the comprehensive performance of convection in tubes inserted with twisted tapes, in the developed 3-edge twisted tape, a simulation was carried out to examine the comprehensive characteristics of single phase convection in circular tubes inserted with twisted tapes, including typical twisted tape, grid spiral twisted tape and 3-edge twisted tape. With water as the working fluid, the behavior of fluid flow and heat transfer of these different types of twisted tapes with the same twist ratioy=2.0 were studied. The RNG k-ε turbulence model was chosen for the Reynolds number ranging from 5 000 to 30 000. The nusselt number(Nu), friction factor(f) and comprehensive performance evaluation factor(η) were calculated and compared with those of a plain tube in the same condition. The results showed that the comprehensive performance of 3-edge twisted tape was better than plain tube, the tubes with typical twisted tape and grid spiral twisted tapes insert.
Key words：typical twisted tape; grid spiral twisted tape; 3-edge twisted tape; enhanced heat transfer; numerical simulation
收稿日期：2016-06-07；
修订日期：2016-08-25
基金项目：河南省重点科技攻关计划项目(132102210406)；郑州市科技攻关计划项目(141PPTGG410)
文章编号：1671-6833(2017)03-0010-05
中图分类号：TK172
文献标志码：A
doi：10.13705/j.issn.1671-6833.2016.06.018