陳哲雨，孫立成，丁 銘

(哈爾濱工程大學核能科學與技術(shù)學院，哈爾濱150001)

哈爾濱工程大學對針翅管進行了深入研究［1－5］，發(fā)現(xiàn)了這種非連續(xù)翅片管適用于高黏度流體強化傳熱的優(yōu)點.在針翅管的基礎上，哈爾濱工程大學又創(chuàng)新了針翅套管，它實現(xiàn)了流體的雙面冷卻，具有結(jié)構(gòu)緊湊，換熱效率高等優(yōu)點，特別適用于高黏度流體的強化傳熱.此外，針翅套管解決了針翅管換熱器漏流、有傳熱死區(qū)等缺點.

針翅套管在獲得較高傳熱效率的同時，由于流道內(nèi)流體的流動情況復雜，也使其的阻力高于普通強化傳熱管.因此，研究影響針翅套管阻力的各個參數(shù)，分析針翅套管阻力的變化規(guī)律，找出針翅套管的傳熱與阻力最佳契合點，是十分必要的.

1 實驗元件與實驗裝置

針翅套管分兩個水通道和一個油通道:針翅管內(nèi)部、外套管外部為水側(cè)通道，針翅管與外套管之間的環(huán)隙為油側(cè)通道.

實驗所用針翅管基管尺寸為Φ12×2，針翅套管具體結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1.

實驗裝置如圖1所示，分為兩個回路:油側(cè)回路與水側(cè)回路.潤滑油在油箱中被加熱到額定溫度，經(jīng)齒輪泵增壓，輸送到實驗段中，冷卻后返回油箱;水側(cè)同樣有一個蓄水池，冷卻水由離心泵輸送到實驗段中，被加熱后，返回水池.實驗過程中保持油側(cè)與水側(cè)入口溫度在額定溫度.

表1 針翅套管結(jié)構(gòu)參數(shù)

實驗中需要測量的數(shù)據(jù)包括:油側(cè)實驗段進出口油溫、流量與壓降，水側(cè)進出口水溫、流量與壓降.

在測量油側(cè)壓降時，由于直接測量針翅套管式強化傳熱元件針翅部分的壓降不容易實現(xiàn)，所以測量壓降時包含了針翅套管兩端的進出口局部壓降，計算時應考慮減掉這部分局部壓降.

接頭部分局部壓降由實驗得出.制作一根內(nèi)外同為光管的針翅套管，由于環(huán)隙的沿程阻力已有精確的公式，將測得阻力減掉沿程阻力之后，即可得到接頭處的局部阻力.

圖1 實驗裝置回路圖

2 阻力分析

圖2為針翅套管結(jié)構(gòu)尺寸示意圖.針翅套管中含有針翅管，流體在針翅管與外套管之間的環(huán)形間隙內(nèi)流動時，受到針翅的攪混與擾動，在翅片處出現(xiàn)渦的生成與脫落，流動情況非常復雜.針翅管針翅的高度、相鄰排針翅之間的距離、針翅管與外套管之間的間隙尺寸以及針翅管軸向針翅部分的總長［1］都會影響環(huán)隙內(nèi)流動流體的壓降.因此，使用沿程阻力公式及常規(guī)阻力系數(shù)公式對針翅套管阻力進行計算分析，得到的結(jié)果不是十分理想.本文嘗試從一個新的角度對針翅套管的阻力進行分析.

圖2 針翅套管的橫剖面與縱剖面

將針翅套管看成一個大的局部阻力件，把針翅管針翅的高度、相鄰排針翅之間的距離、針翅管與外套管之間的間隙尺寸以及針翅管軸向針翅部分的總長等結(jié)構(gòu)因素歸結(jié)到阻力系數(shù)中去，是一個很好的思考方向.這樣既可以突破沿程阻力的束縛，避免出現(xiàn)整體當量直徑等難以計算的參數(shù).同時又考慮了針翅套管各個參數(shù)對整體壓降的影響，使目標更加明確，分析更加合理.

局部阻力的一般形式如下式［6］:

其中:ξ為局部阻力系數(shù)，u為針翅處流速，ρ為流體平均溫度下的密度.

其中:C為包含針翅套管結(jié)構(gòu)參數(shù)的常數(shù)項，Re為針翅處雷諾數(shù)，D為針翅管基管與外套管之間環(huán)隙的當量直徑，ν為流體平均溫度下的運動黏度.

由于針翅處的當量直徑受針翅數(shù)目的影響較大;同時，實驗發(fā)現(xiàn)，針翅數(shù)目對針翅套管阻力的影響并不十分明顯，所以用針翅管基管與外套管之間環(huán)隙的當量直徑計算針翅處雷諾數(shù).

由圖3可知，針翅套管中流體的流動狀態(tài)呈現(xiàn)

局部阻力系數(shù)的計算應用以下公式:其中:L為針翅管軸向針翅部分的總長，T為相鄰兩排針翅之間的距離.

以上分析為軸向長度上針翅參數(shù)對針翅套管阻力的影響，下面分析每個小單元的阻力情況，即:針翅高度h與外套管同針翅管翅尖之間的間隙δ對針翅套管阻力的影響.由圖1縱剖圖可以看出，h與δ決定了針翅套管環(huán)隙針翅處的流通面積，而流速與流通面積的大小呈反比，h與δ通過影響針翅處的流速進而對每個小單元的阻力產(chǎn)生影響.從圖1還可以看出，h與δ起到相反的作用，h越大、δ越小針翅處流速越高，因此，h與δ可以用比值的形式歸結(jié)到一個參數(shù)中去，如式(5).一種周期性:針翅部分，光滑環(huán)隙部分，針翅部分，光滑環(huán)隙部分.因此，我們可以將整根針翅套管劃分成為若干個小單元，每個小單元包含前后兩部分光滑部分與中間的針翅部分。這樣，針翅套管的阻力就由諸多單個小單元的阻力組成，與小單元的個數(shù)成正比關(guān)系.由于局部阻力需要一段直管段作為穩(wěn)定段，針翅套管的節(jié)距T明顯不能達到所需穩(wěn)定段的長度，因此相鄰的小局部阻力之間會產(chǎn)生影響，所計算的單個小單元的局部阻力就不是潤滑油流過一排針翅后產(chǎn)生的全部局部阻力.H/T越小，即表明局部阻力的穩(wěn)定段越長，單個小單元局部阻力的完整性越好，所以，添加指數(shù)為負數(shù)的單個局部阻力的修正系數(shù)，具體關(guān)系如式(4)所示.

當不同針翅套管的h與δ相同，其他參數(shù)也相同時，針翅套管阻力會隨著針翅管管徑d變化而變化，因此，徑向截面上的參數(shù)應該包含了h、δ與d三個參數(shù).

用A1表示縱剖面上針翅部分面積，A2表示縱剖面上無針翅部分面積.用A1/A2代替h/δ，作為新的計算參數(shù)，即:

計算針翅部分面積時，根據(jù)針翅管實際加工情況，將針翅形狀簡化成根部相連的若干三角形，這樣可得:

其中:d為針翅管針翅根部處直徑.

綜上所述，針翅套管壓降關(guān)聯(lián)式具體形式如下:

其中:ε為常數(shù)項.

3 數(shù)據(jù)處理與分析

根據(jù)式(2)可知，對于針翅套管，阻力系數(shù)與雷諾數(shù)呈指數(shù)關(guān)系，指數(shù)不隨針翅套管結(jié)構(gòu)尺寸變化，對式(2)取對數(shù)，得:

應用式(9)對各針翅套管實驗數(shù)據(jù)進行處理，同時進行曲線擬合，結(jié)果如圖3所示.

圖3 ln(f)與ln(Re)關(guān)系圖

根據(jù)計算結(jié)果得出，7根針翅套管的ln(f)與ln(Re)都呈線性關(guān)系，變化范圍在 －0.97～ －0.94之間，考慮到測量誤差的影響，認為式(2)的規(guī)律是存在的，即:對針翅套管進行的局部阻力假設是合理的，m值范圍在－0.97～－0.94之間.

根據(jù)各針翅套管的擬合結(jié)果可以得到m與C的值，利用不同針翅套管的結(jié)構(gòu)參數(shù)，可列出式(8)的方程組，求出方程組的近似解，即得到符合7根實驗元件的最佳ε，k，n的值.

經(jīng)計算得出針翅套管阻力系數(shù)關(guān)聯(lián)式為:

應用范圍:2.5≤T≤8.7，2.8≤h/δ≤18.3，9≤d≤12.

關(guān)聯(lián)式中對參數(shù)的處理采用了兩次比值的形式.兩組參數(shù)的共同特點是:相互影響且對針翅套管阻力所起的作用完全相反，在某些條件不變的情況下，一個的增大必定表示著另一個的減小，一個參數(shù)增大后導致阻力增加，另一個參數(shù)增大后導致阻力減小.為了清楚地表示它們之間的這種關(guān)系，所以在關(guān)聯(lián)式中把它們做成了比值的形式，便于對針翅套管的理論分析;同時，應用比值的形式還可以減少未知數(shù)的數(shù)量，使計算更加簡單.

圖4為編號為1#針翅套管計算結(jié)果與實際結(jié)果對比，由圖中曲線可以看出，在實驗范圍內(nèi)總體符合較好，其他6根針翅套管的符合情況與1#針翅套管大致相同，不再贅述.

圖4 1#針翅套管計算結(jié)果與實際結(jié)果對比

應用編號為8#、9#的兩根針翅套管對上述關(guān)聯(lián)式進行驗證，其對比結(jié)果如圖5所示，8#針翅管基管尺寸為Φ12×2，9#針翅管基管尺寸為Φ9×1.5.

由以上對比可以看出，針翅套管阻力關(guān)聯(lián)式在實驗范圍內(nèi)與實驗結(jié)果吻合較好，證明阻力關(guān)聯(lián)式的準確性，對于其他參數(shù)的針翅套管是否可以應用該關(guān)聯(lián)式進行計算，有待于進一步驗證.通過上述擬合的阻力關(guān)聯(lián)式可以看出h與δ對針翅套管阻力的影響較L與T的大，所以想要減小針翅套管阻力，首先要從h與δ上著手;當要增大針翅套管換熱量原h(huán)、δ與T不變.應用針翅套管阻力關(guān)聯(lián)式，可以清楚地了解針翅套管阻力隨參數(shù)變化而產(chǎn)生的變化，進而根據(jù)實際情況，選擇最佳尺寸.

4 結(jié)語

本文應用了局部阻力的分析方法分析了針翅了影響針翅套管這個大局部阻力件阻力系數(shù)的因素及這些因素的作用機理.通過對實驗數(shù)據(jù)的處理，擬合了針翅套管阻力計算關(guān)聯(lián)式，應用關(guān)聯(lián)式對針翅套管阻力進行計算，并與實際測得結(jié)果進行對比，兩者符合較好，差值在10%以內(nèi).最后，根據(jù)對針翅套管阻力關(guān)聯(lián)式中各系數(shù)數(shù)值大小的分析，明確了各參數(shù)對針翅套管阻力的影響程度，為實際設計加工針翅套管型換熱器提供了理論依據(jù)及便利條件.套管的阻力特點.根據(jù)針翅套管的結(jié)構(gòu)特點，找出

圖5 計算結(jié)果與實際結(jié)果對比

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