中国工程热物理学会学科类别（传热传质学）学术会议论文编号：123006汽化器强化管结构优化数值模拟李静，贺高明，余美玲（华南理工大学传热强化与过程节能教育部重点实验室，广州510640）（Tel：02022236565，E-mail:ljing@scut.edu.cn）摘要：通过Fluent数值模拟方法对新型螺旋强化管和开架式汽化器普通管的传热和阻力性能进行分析，研究结构参数对前者的影响，结果表明：前者的螺旋流道结构产生的旋流效应提高了换热性能，同时其适中的基管间隙根本改变了流体在壁面处的运动情况，使前者的阻力损失明显小于后者,当5000<Re<20000时，新型螺旋管的Nu约为开架式汽化器普通管的1.4~4倍，强化传热综合性能约在1.2~1.7之间。当Re相同时，螺距越小，新型螺旋强化管的换热性能越好，流动阻力也越大。关键词：数值模拟；螺旋强化管；传热；阻力性能0前言随着世界能源供给形势日益严峻，LNG（液化天然气）工业在全球范围内得到迅猛发展，但其传热节能方面仍然存在技术难题。汽化器是LNG生产工艺的核心设备，其作用是将LNG汽化并转化为常温气体。传统开架式汽化器板型管束由于下部积液管外表面结冰问题而导致汽化器的传热性能大幅下降，为了克服该问题，Osaka和KobelStell采用双层结构联合开发研制出来的一种超级开架式汽化器[1]，能够大大地提高传热管外表面海水的温度，保持所有的传热面积都是有效的，因而能有效地抑制传热管的外表面结冰现象，使其换热能力得到明显提高，这种LNG换热器被应用于更多LNG接收站。在强化传热技术中，螺旋管换热器得到广泛的应用[2-3]。螺旋管是一种在管内呈螺旋状流道的高效无源强化换热管，从20世纪70年代开始，人们开始对其换热性质进行研究，通过不断改变螺旋参数结构以求达到更好的换热效果。一般认为螺旋流道由于曲率和离心力的作用可形成二次流，促进流体扰动，增大湍流强度，提高传热性能等；同时，可以明显增加热阻大的这一侧流体的面积[4]，从而减少了以总面积计算的热阻。研究表明，影响螺旋流道传热性能和流动阻力的因素主要有流体的雷诺数Re、螺旋高度、螺距等。鲍伟等对螺旋流道的流动换热性能进行了研究，发现当Re>2000时，导程S为100mm的刘璇强化管传热效果提高了约60%左右[5]；陈亚平等设计了一种螺旋折流片新型换热器，发现在相同条件下与同尺寸光管通道相比，其传热系数约提高了40%~50%[6]；Eiamsa-ard和Promvonge实验研究了在装有螺旋翅片的同心双管式换热器的强化问题，发现装有螺旋片的有实心轴的换热器的换热系数比空心轴（光管）的高约10%，但是大大增大了摩擦损失[7]。国内外很多学者都对内螺旋强化管的换热流阻性质进行了研究，发现随着螺旋翅片数量、高度、螺距等变化，会形成不同规格的内螺旋强化管，其管内流体的流动和换热性质在不同的雷诺数Re下有所不同。目前仍然没有准确的理论公式或计算关系式来反应内螺旋强化管内努赛尔数Nu、流阻损失△P与螺旋参数的关系，在不同流动状态下究竟何种螺旋参数的内螺旋强化管才具有最强的换热性质，文献中没有___________________________________________基金项目：国家自然科学基金（51176053）提到[8]。这就需要人们在进行大量实验数据分析的同时，对其加大数值模拟的研究。本文涉及的汽化器新型螺旋强化管，就是在开架式换热器基础上，通过将其花瓣状光管流道改为螺旋流道，并适当增大基管的间隙，达到既能强化换热性能，又能有效降低阻力特性的效果。笔者运用Fluent数值模拟的方法对两者流动规律、速度场、换热性能和阻力特性进行研究，其目的是研究能量转换的新途径和新技术，为新型超级开架式汽化器强化管的优化设计提供依据。1几何模型本文涉及的新型螺旋强化管，与开架式汽化器的普通换热管相比，其外翅和基管内径尺寸保持不变（见图1-1和1-2），但流道结构发生变化，原花瓣状光管流道改为螺旋状流道。两模型均长400mm，b1为56.2mm，b2为42.8mm，b3为53.6mm，a为37.6mm。开架式汽化器的普通换热管基管内径r1为5.0mm，基管外径r2为6.2mm，r3为7.35mm，r4为8.4mm，r5为1.1mm，r6为1.1mm，r7为2.0mm，r8为0.5mm，其流道和基管径向分布示意图见图2-1。新型螺旋强化管的基管内径R1为5....