第21卷第2期石油化工高等学校学报Vol.21No.22008年6月JOURNALOFPETROCHEMICALUNIVERSITIESJun.2008文章编号:1006-396X(200802-0080-04多孔泡沫金属换热器内流体的流动和传热分析李菊香1,涂善东2(1.南京工业大学能源学院,江苏南京210009;2.华东理工大学,上海200237摘要:对管间填充多孔泡沫金属的方形管壳式换热器内流体沿管间轴向强制层流的流动和恒热流密度的传热进行了理论研究。结果表明,流体的径向速度分布呈现类似于光管内湍流时近壁处薄层内变化率大,其余大部分区域平坦的特征;流体和泡沫的径向温度分布较为平坦;流体的压力降随泡沫孔数(ppi增大的增长明显大于对流换热的Nu数随ppi数增大的增长;泡沫的孔隙率越小,流体的压力降越大,对流换热的Nu数也越大。关键词:多孔泡沫金属;管壳式换热器;流动;传热中图分类号:TB383.4;TK124文献标识码:AAnalysisonFlowandHeatTransferofFluidinPorousMetalFoamHeatExchangerLIJu-xiang1,TUShan-dong2(1.EnergyofCollege,NanjingUniversityofTechnology,NanjingJiangsu210009,P.R.China;2.EastChinaUniversityofScienceandTechnology,Shanghai210037,P.R.ChinaReceived27September2007;revised10March2008;accepted20April2008Abstract:Theflowandheattransferundertheconstantheatfluxconditionoffluidπsoutsidethetubeforcedlaminarflowalongthetubeaxisinaquadratetube-shelltypeheatexchangerfittedwithporousmetalfoaminshellsidewastheoreticallyanalyzed.Itshowsthattheflowvelocitydistributionintheradialdirectionissimilartothesituationoffluidπsinternalturbulentflowinsideablanktubewiththefeatureofhavinggreatgradientinaverythinlayerneartothewallandmoreflatintherestarea.Thetemperaturedistributionsoffluidandfoamaremoreflat.Theincreasingofthepressuredropofthefluidwiththeppi(poreperinchnumberoftheporousmetalfoamwasfasterthanthatoftheNusseltnumberoftheconvectionheattransfer.ThepressuredropandtheNusseltnumberwereincreasedwiththedecreasingoftheporosityoftheporousmetalfoam.Keywords:Porousmetalfoam;Tube-shellheatexchanger;Flow;HeattransferCorrespondingauthor.Tel.:+86-25-83432802;fax:+86-25-83432802;e-mail:lijuxiang64@sohu.com对多孔介质内流体的流动和传热传质的研究是当前传热领域最为热门的研究方向之一,至今已发展和形成了多孔介质的流体动力学和传热传质理论[1]。最初研究时的多孔介质大多为人工模拟的多孔骨架[2-3],随着金属制造技术的进步,特别是20世纪90年代多孔泡沫金属的问世[4],有关多孔泡沫金属中流体的流动和传热传质的研究迅速发展起来。对多孔泡沫金属材料本身物理性质和其中的流体流动和传热传质的研究已有不少报道[5-17]。LuW和ZhaoCY等[12-13]认为流体在多孔泡沫金属中的层流服从Brinkman—ExtendedDarcy模型,泡沫和流体间存在服从瞬间局部非热平衡的传热规律,“”应建立流体和固体间传热的双方程的非局部热平衡模型,研究结果认为,填充有多孔泡沫金属的管内强制对流传热比光管强化约40倍。目前,以多孔泡沫金属作为流体通道的换热器的研究均为最简单的单管模型,即只研究单管内、外的单个多孔介质通道,而对于单相流体在多管型换热器内管外多孔介质通道中的流动和传热的研究尚未见报道,收稿日期:2007-09-27作者简介:李菊香(1964-,女,江苏启东市,高级工程师,在读博士。基金项目:江苏省自然科学基金(BK2004214。因此,本文对多管型换热器内管外多孔泡沫金属通道中恒定热流密度时流体的轴向强制层流流动和传热进行了理论分析,以扩展多孔泡沫金属换热器的研究范围。1物理模型常压多管型换热器普遍由内含的多根圆截面传热管和方形通道壳体组成,如图1所示。换热器内传热管以一定方式排列。当流体在管间通道内沿轴向流动时,流通截面的单元区域可分为3种:(1内部管间区域,见图1中的位置1。当换热器内布有很多管子时,大部分为内部管间区域;(2全角点管间区域。该区域的管四周均为换热器外壳的绝热边界,如当换热器内只有一支管时,该管外区域的外侧四周均为绝热边界;(3平直边界管...