环形截面螺旋管换热器流体湍流流动与换热的数值模拟
1引言：螺旋管在石油、化工和动力等工业生产中应用广泛，螺旋管内具有结构紧凑，传热效率高，流体在其内流动时能够自生离心力场和二次流。因而螺旋管道的换热效果与相同条件下的直管道相比换热能力提高较多。大量学者致力于螺旋管道内流体流动与换热特性的研究。然而大多数研究仍集中在圆形、方形截面螺旋管道，而且以层流流动与换热研究为基础，但工程上大多数螺旋管道内流动处于湍流状态。目前对环形截面螺旋管内流体湍流流动与换热的研究还没有见到，而此种形式的换热器在工程技术中应用广泛。
2数学物理模型
2.1物理模型
2.2数学模型
数值模拟采用流体在环形截面螺旋通道内湍流流动与换热realizable k-ε湍流模型，时均化的动量方程和能量方程为：
3数值模拟方法
基于直角坐标系，采用计算流体动力学软件Fluent对环形截面螺旋管道内流体湍流流动与换热进行数值模拟。计算网格采用非结构六面体网格，为了保证计算精度，进行了网格独立性实验，消除了网格对计算精度的影响，部分网格如图所示。
4计算结果及分析
换热器结构参数如表1所示，螺旋管的曲率半径取为0.762m，螺距为1m，内径和外径分别为0.0254m和0.0508m。螺旋管取为4圈。
4.1阻力系数f和努塞尔数Nu
图3和图4给出了摩擦阻力系数和努塞尔数Nu随着De数的变化曲线，以及与现有文献中的实验结果和经验公式的对比。从图中可以看出，两者均吻合较好，说明数值模拟结果正确。
4.2流场及温度场
图5给出了流场和温度场的发展过程，可以看出随着轴向位置的增加，轴向速度和温度场逐渐发展。由于离心力的作用轴向速度的最大值偏向外壁侧。
5 结论
采用计算流体动力学软件Fluent计算了环形截面螺旋通道内流体湍流流动与换热特性，数值模拟结果与实验结果吻合较好，给出了发展的速度场和温度场分布。