带热能工程（（ｘ－ａｋ加热》第３９卷２０１０年第４期ＤＯＩ－１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００２－１６３９．２０１０．０４．００４
椭圆管内对流换热与流动阻力特性研究
王珊珊，徐文强，胡永海
（上海理工大学能源与动力工程学院，上海２０００９３）
摘要：通过ＣＦＤ技术，分别对５种长短轴之比的椭圆管管内湍流和层流状态时的换热与流动进行数值研究，分
析了流体流动状态和椭圆管长短轴之比对换热系数与流动阻力的影响，并根据数值计算结果拟合｝｛｛湍流区椭圆
管管内换热系数的准则关系式，最后绘制每种类型椭圆管的局部换热系数曲线。研究结果表明：数值计算结果
与实验值吻合良好：采用当蕈Ａ径的方法计算椭圆管内换热系数误差较人；随着雷诺数的增加，每种类型的椭
圆管管内阻力系数逐渐减小；而在相Ｉ卅的雷诺数下，随着长短轴之比Ｋ的增大，管内阻力系数逐渐增加；每种类
型的椭圆管具有类似的局部换热特性，即长半轴两端点处局部换热系数最低，而短半轴两端点处具有最大局部
换热系数。
关键词：椭圆管；对流换热；阻力特性；局部换热；数值计算
中图分类号：ＴＫｌ２４文献标志码：Ａ文章编号：１００２．１６３９（２０１０）０４．００１３－１６
ＡＳｔｕｄｙ
ｏｎＨｅａｔＴｒａｎｓｆｅｒａｎｄＦｌｏｗＲｅｓｉｓｔａｎｃｅＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｉｎＥｌｌｉｐｔｉｃａｌＴｕｂｅｓ
ＷＡＮＧＳｈａｎ—ｓｈａｎ，ＸＵＷｅｎ－ｑｉａｎｇ，ＨＵＹｏｎｇ－ｈａｉ
（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＰｏｗｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｈａｎｇｈａｉｆｏｒＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｓｈａｎｇｈａｉ２０００９３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒａｎｄｆｌｏｗｉｎｅｌｌｉｐｔｉｃａｌｔｕｂｅｓｗｉｔｈｄｉｆｉｅｒｅｎｔａｘｉｓｒａｄｉｏＫａｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．ＣｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌＦｌｕｉｄＤｙｎａｍｉｃｓ（ＣＦＤ）ｗａｓｕｓｅｄｔｏａｎａｌｙｓｅｆｌｏｗｓｔａｔｅａｎｄａｘｉｓｒａｄｉｏＫｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｎｔｈｅｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒａｎｄｆｌｏｗ，ａｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｅｑｕａｔｉｏｎｓｏｆＮｕ（Ｎｕｓｓｅｌｔ）＝ｆ（Ｒｅ）ｉｓｇｉｖｅｎ．Ａｔｌａｓｔ，ｆｉｖｅｔｙｐｅｓｏｆｅｌｌｉｐｔｉｃａｌｔｕｂｅｓ’ｌｏｃａｌｃｏｎｖｅｃｔｉｖｅｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｒｅｓｈｏｗｅｄ．１１１ｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｂａｓｉｃａｌｌｙｔａｌｌｉｅｓｗｉｔｈｔｈｅｖａｌｕｅｏｆｎｕｍｅｒｉｃａｌｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ．Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｄｉａｍｅｔｅｒｍａｙｌｅａｄｔｏａｇｒｅａｔｅｒｒｏｒｗｈｅｎｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｙｐｅｓｏｆｅｌｌｉｐｔｉｃａｌｔｕｂｅｓ．ＷｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆａｘｉｓｒａｄｉｏＫ，ｃｏｎｖｅｃｔｉｖｅｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓｉｎｃｒｅａｓｅｓ。ｗｈｉｌｅｆｌｏｗｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｃｏｅｍｃｉｅｎｔｓａｌｓｏｉｎｃｒｅａｓｅｓｉｎｔｈｅｓａｍｅｒｅｙｎｏｌｄｓｎｕｍｂｅｒ．ＩｔｉＳｆｏｕｎｄｔｈｅｌｏｃａｌｃｏｎｖｅｃｔｉｖｅｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓａｒｅｓｉｍｉｌａｒｆｏｒｆｉｖｅｔｙｐｇｓｏｆｅｌｌｉｐｔｉｃａｌ，ｔｈａｔｉｓｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｉｓｌｏｗｅｓｔａｔｔｈｅｐｏｉｎｔｏｆｓｅｍｉ－ｍａｊｏｒａｘｉｓ，ａｎｄｉｔｈａｓｇｒｅａｔｅｓｔｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｉｎｔｈｅｃｅｎｔｅｒｏｆｔｕｂｅ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｅｌｌｉｐｔｉｃａｌｔｕｂｅ；ｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎｈｅａｔ；ｆｌｏｗｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ；ｌｏｃａｌｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒ：ｎｕｍｅｒｉｃａｌｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ
以前，由于椭圆管制造困难且承压能力较低，在工程上一直未得到广泛的应用。近年来，随着对节能工作的重视及制造技术的不断提高，椭圆管换热设备在工业中的应用越来越广泛，目前，在一些中低压场合下，已出现了很大钢制椭圆管矩形翅片空冷器、钢制椭圆管散热器、椭圆重力水热管及椭圆翅片管换热器。众多的文献【卜４】也显示，椭圆管作为一种异型换热元件，有着许多独特的优点。如椭圆管具有流线形状，迎流面小，背流面涡流区小，从而阻力人人减低。文献【５－６】表明当Ｒｅ＝１０４～２×１０５时，长短轴之比Ｋ＝２椭圆管的阻力系数仅为圆管的５８．３％；在相同的流道截面下，可以布置更多的椭圆管，从而可以提高换热器的紧凑性，这在很多对换热器空间尺寸要求比较严格的特殊工况下具有很大意义，同时也可以节约原材料。
对于非圆形截面管内湍流换热计算在工程上采用当量直径作为特征尺寸，从而应用圆管管内湍流换热的准则关联式，但是当截面上出现尖角的流动区域时，应用
收稿日期：２０１０?０２－０ｌ；修回日期：２０１０－０３—１７
作者简介：王珊珊（１９８３一），女，陕西省Ｉ｝ｔｉ安市人，在读硕士，研究方向：颗粒与两相流，强化换热，计算流体力学．
当量直径的方法会导致较大的误差【７】，诸如有一个或两个小角度的三角形管，卡尔森（Ｃａｒｌｓｏｎ）和欧文（Ｉｒｖｉｎｅ）［８】对三角形通道应用水力直径概念的限制做了讨论。本文研究发现椭圆管管内换热系数的计算采用当量直径的方法计算误差较大。因而，针对不同长短轴之比的椭圆管提出相应的对流换热关联式和阻力系数关联式至关重要。
基于上述原因，本文分别建立不同长短轴之比的椭圆管几何模型，利用ＣＦＤ技术，对管内湍流和层流流动状态下的换热与流动进行数值模拟，分析了流体流动状态和长短轴之比对换热系数与流动阻力的影响，首次拟合出椭圆管管内Ｎｕ关联式：Ｎｕ＝ｆ（Ｒｅ）。最后，绘制局部Ｎｕ沿管擘垂直于轴向的变化趋势。这些研究不但有助于优化椭圆管的设计，而且有助于对这类异形管的换热与流动特性的认识，为椭圆管今后在管壳式换热器、管翅式换热器上的推广起到积极的借鉴作用。
ｌ数值方法
本文固定椭圆管周长为１０５．Ｉｌ／ｌｍ，管长３００ｍｍ，即相同的换热表面积，对于不同长短轴之比图均椭圆管尺寸如表１所示。
１３万方数据