（江蘇大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 江蘇鎮(zhèn)江 212013）

雙層管道由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，使得2股流體被中間隔板分開(kāi)，匯合之后可起到促進(jìn)流體之間混合和熱交換，因而被廣泛應(yīng)用于石油化工、能源動(dòng)力等行業(yè)。國(guó)內(nèi)外對(duì)工業(yè)彎管和T型管道內(nèi)的流動(dòng)特性的研究較多，而對(duì)于小尺寸的雙層U型管內(nèi)的流動(dòng)特性的研究較少。無(wú)論從尺寸的層面還是從流動(dòng)混合的角度，雙層U型管內(nèi)隔板出口處的流動(dòng)特征都具有重要的研究?jī)r(jià)值。

擋板常在工業(yè)中作為改變流體流動(dòng)方向的裝置，其結(jié)構(gòu)和位置影響管道內(nèi)液體的流動(dòng)與換熱。Graham等［1］對(duì)U型帶肋通道中的流場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量，發(fā)現(xiàn)肋前后存在明顯的循環(huán)區(qū)域。趙國(guó)壽等人［2］研究發(fā)現(xiàn)葉片表面障礙物能夠增加近壁面流場(chǎng)湍動(dòng)能從而使轉(zhuǎn)捩提前發(fā)生，減少流動(dòng)分離引起的壓差阻力，從而對(duì)空化產(chǎn)生了抑制作用。Lim等［3］通過(guò)大渦模擬計(jì)算方法和試驗(yàn)方法研究了湍流邊界層中的貼壁立方體的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和流動(dòng)情況，分析了立方體周?chē)臏u結(jié)構(gòu)與平均壓力和脈動(dòng)壓力的關(guān)系。王慶鋒等［4］研究了折流板間距與換熱器對(duì)流傳熱系數(shù)的關(guān)系，研究發(fā)現(xiàn)折流板間距越大，對(duì)流傳熱系數(shù)越小，壓降越小。

基于優(yōu)化雙層管道結(jié)構(gòu)以提高換熱性能的初衷，針對(duì)小尺寸的某雙層U型管道結(jié)構(gòu)，在隔板出口處布置擋板，研究擋板到隔板出口的距離對(duì)管道內(nèi)流動(dòng)特性和換熱效果的影響。由于模型尺寸小，在實(shí)驗(yàn)的實(shí)施上存在一定的難度，所以采用數(shù)值模擬的方法對(duì)管內(nèi)的流動(dòng)特征進(jìn)行初步研究。本文在數(shù)值模擬中采用ANSYS Fluent軟件，借助k-ε湍流模型對(duì)雙層U型管內(nèi)的流動(dòng)特征進(jìn)行研究，重點(diǎn)對(duì)擋板到隔板出口距離的大小對(duì)隔板出口到擋板之間區(qū)域的流動(dòng)特征和管道出口處流體溫度分布的影響進(jìn)行描述與分析。

1 模型的建立

1.1 幾何模型

某雙層U型管幾何模型如圖1所示，流體分別由入口1和入口2流入，在流過(guò)180°的彎管后，撤去隔板，2個(gè)管道合并成1個(gè)管道，入口截面采用邊長(zhǎng)為5mm的方形布置，出口截面為長(zhǎng)35mm、寬15mm的矩形，隔板厚5mm，彎管半徑為100mm。分別在距離隔板出口10mm、20mm、30mm和50mm處布置擋板，建立4種模型并建立無(wú)擋板模型作為參照，建立三維坐標(biāo)系（圖1），坐標(biāo)原點(diǎn)位于隔板出口。擋板結(jié)構(gòu)如圖2所示，擋板寬15mm、長(zhǎng)10mm、高5mm。擋板到隔板出口的距離用字母d表示。

1.2 邊界條件與網(wǎng)格劃分

數(shù)值計(jì)算采用kε湍流模型，使用清水作為流體介質(zhì)。入口1流速 0.5m/s，溫度 60℃（333K）； 入口 2 流速1.0m/s，溫 度 20℃（293K）。壁面采用壁面無(wú)滑移條件，設(shè)置管壁為絕熱壁。出口壓力設(shè)為環(huán)境壓力，值為101325Pa，環(huán)境溫度20℃（293K）。收斂標(biāo)準(zhǔn)是各監(jiān)測(cè)項(xiàng)的殘差均小于 10-4。

網(wǎng)格劃分采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，每個(gè)模型計(jì)算域共有100萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格。本文重點(diǎn)研究隔板出口到擋板之間的流動(dòng)特征與溫度分布，所以對(duì)隔板厚度的范圍內(nèi)沿x方向加密處理，并對(duì)擋板處的網(wǎng)格進(jìn)行加密，如圖3所示。

2 數(shù)值模擬與分析

2.1 速度分布

如圖4所示，擋板到隔板距離的大小對(duì)速度分布有較大影響。隔板前方來(lái)流方向的流速比隔板后方的流速略大。在高流速區(qū)域，無(wú)擋板時(shí)，最大流速等值線分為2段，增加擋板后，兩段最大流速等值線逐漸靠近，最終2段等值線合為1條等值線，隨著d的增大，擋板對(duì)隔板出口處流體流動(dòng)的擾動(dòng)作用減弱，最大流速等值線再次逐漸斷裂，d=50mm時(shí)，斷裂為3段等值線，隨著d的增大，高速區(qū)域平均流速經(jīng)歷了先增大再減小的過(guò)程。在低流速區(qū)，d=10mm時(shí)擋板對(duì)隔板出口處流體流動(dòng)的擾動(dòng)作用最強(qiáng)，低速區(qū)域平均流速最大。d=30mm和50mm與無(wú)擋板時(shí)在低速區(qū)隔板附近的流速等值線形態(tài)相似，量值略有差別。隨著d的增大，擋板附近來(lái)流方向的流速逐漸增大，擋板后尾流的流速也逐漸增大，但是尾流的范圍先增大后減小，d=20mm時(shí)擋板后尾流的范圍最大。擋板對(duì)隔板后的尾流有較大影響，當(dāng)擋板距離隔板較近時(shí)，擋板處于隔板后的尾流范圍內(nèi)，流體阻力增大導(dǎo)致尾流內(nèi)的低速區(qū)域范圍增大，流速降低；隨著d的增大，擋板對(duì)隔板尾流的阻力作用減弱，但d=50mm時(shí)隔板尾流的范圍仍然比無(wú)擋板時(shí)的隔板尾流范圍大。

2.2 渦量分布

如圖5所示，隔板與擋板靠近高流速的區(qū)域比靠近低流速的區(qū)域高渦量區(qū)域的范圍更大，且渦旋尾部延伸較長(zhǎng)。2高渦量區(qū)之間低渦量的形態(tài)沿X方向上下波動(dòng)。如圖5（b）所示，當(dāng)d=10mm時(shí)，擋板處于隔板高渦量區(qū)范圍內(nèi)，渦尾沿Z軸方向變寬。隔板附近高渦量區(qū)與擋板附近的高渦量區(qū)連成一體。如圖5（c）所示，當(dāng)d=20mm時(shí)，隔板出口下方高渦量區(qū)域尾部上下波動(dòng)幅度更大，尾部形成一個(gè)微小的高渦量區(qū)，隔板與擋板附近上方的高渦量區(qū)分離，隔板中間的低渦量區(qū)域與擋板上方低渦量區(qū)域連接成一體。擋板上壁面高渦量區(qū)域長(zhǎng)度變大。如圖5（d）所示，當(dāng)d=30mm時(shí)，擋板上壁面高渦量區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大，延伸至擋板圓周前端，擋板后端下方的高渦量區(qū)域拉長(zhǎng)，范圍變大。如圖5（e）所示，當(dāng)d=50mm時(shí)，隔板出口處下方的高渦量區(qū)尾端出現(xiàn)多個(gè)封閉的等值線，渦量大小變化頻繁，同時(shí)尾部形狀較無(wú)擋板時(shí)波動(dòng)更劇烈。d=10mm時(shí)較無(wú)擋板時(shí)，隔板出口處的高渦量區(qū)范圍縮小，隨著d的增加，隔板出口處的高渦量區(qū)域范圍逐漸增大，渦形態(tài)上下波動(dòng)更劇烈。有擋板時(shí)，隨著d的增大，擋板壁面附近的渦強(qiáng)度增強(qiáng)，擋板后的高渦量區(qū)渦強(qiáng)度增強(qiáng)，渦尾的長(zhǎng)度延長(zhǎng)。

2.3 壓力與溫度分布

隔板出口處壓力沿Z軸分布如圖6所示，隔板兩側(cè)的壓力較高，在隔板沿Z軸的寬度范圍內(nèi)形成一個(gè)低壓區(qū)。無(wú)擋板時(shí)隔板出口處的低壓值最小為負(fù)壓，與隔板兩側(cè)的壓差最大；當(dāng)d=10mm時(shí)隔板出口處的低壓值最大，在20Pa左右，與隔板兩側(cè)的壓差最小。有擋板時(shí)，隨著d的增大，隔板兩側(cè)的壓力逐漸增大，隔板處低壓值逐漸降低，壓差增大。因此，d=10mm時(shí)，可以顯著改善隔板出口處的壓力分布情況。有擋板時(shí)，在擋板附近出現(xiàn)管道內(nèi)的壓力最大值和最小值，如表1所示。隨著d的增加，壓力最大值先增大后減小，d=30mm時(shí)壓力的最大值最大；壓力的最小值逐漸減小，且減幅增大；擋板附近的最大壓力和最小壓力的壓差隨著d的增大而增大。

流體出口截面的溫度分布如圖7所示，無(wú)擋板時(shí)如圖7（a）所示，出口截面中間區(qū)域等溫線較為平緩，溫度在310K到319K之間，兩側(cè)等溫線向外鼓起，且鼓起程度逐漸增大。有擋板時(shí)，隨著d的增大等溫線傾斜程度增大，左側(cè)等溫線密集，溫度梯度大，冷熱水之間熱量交換更加不均勻；同時(shí)隨著d的增加，高溫區(qū)域范圍逐漸增大，d=10mm時(shí)出口最高溫度為331.67K，d=50mm時(shí)出口最高溫度為332.21K，換熱效果變差。與無(wú)擋板的情況相比，d=10mm時(shí)，出口最高溫范圍略有擴(kuò)大，高溫區(qū)域等值線鼓起程度較小，溫度梯度增大，說(shuō)明擋板的設(shè)置不利于2股流體間的熱量交換。從圖7可以看出，出口截面下方的等溫線在形態(tài)和位置上幾乎無(wú)變化，出口截面上方等溫線變化顯著，因此擋板對(duì)于熱水區(qū)域的熱量交換的影響更為顯著。

表1 擋板附近壓力極值

3 結(jié)論

在某雙層U型管內(nèi)隔板出口后方布置擋板，對(duì)管道內(nèi)的流動(dòng)結(jié)構(gòu)有顯著影響，可以得出下面的結(jié)論。

設(shè)置擋板后，管道內(nèi)湍動(dòng)劇烈，隨著d的增大，高渦量區(qū)域范圍擴(kuò)大，渦強(qiáng)度增強(qiáng)，隔板出口處的渦形態(tài)上下波動(dòng)更加劇烈，擋板后方的高渦量區(qū)域的渦尾變長(zhǎng)；管道內(nèi)平均流速先增大后減小，d=10mm時(shí)平均流速最大，隔板后的尾流范圍減小，流速增大；設(shè)置擋板可以顯著改善隔板出口處的壓力分布情況，d=10mm時(shí)隔板出口處與隔板兩側(cè)的壓差最小，隨著d的增大，隔板兩側(cè)的壓強(qiáng)升高，隔板后的壓強(qiáng)降低，壓差增大，無(wú)擋板時(shí)隔板后低壓區(qū)出現(xiàn)負(fù)壓，壓差最大，而隨著d的增大，擋板處的壓差逐漸增大；無(wú)擋板時(shí)，出口處流體間換熱效果最好，設(shè)置擋板后，對(duì)熱水區(qū)域的換熱影響較大，冷水區(qū)域的換熱情況基本無(wú)變化，隨著d的增大，換熱效果變差。