多头螺旋管结构参数的优化设计研究

　　0 引 言

　　多头螺旋管作为新型高效换热元件中的重要一员，近些年来受到越来越多的关注.其内外表面均有螺旋凸筋，在增大热交换管内外传热面积的同时，又能使参与换热的流体介质在管内呈紊流状流动，这大大改善了其流变性能， 从而达到强化传热的目的.相对目前广泛用于空调行业的内螺纹管， 多头螺旋管特有的螺旋凸筋结构， 又能保证管内外污垢得到及时清除，从而提高其使用性能[1].本文利用有限元分析软件 ANSYS 对多头螺旋管传热过程进行三维数值模拟，通过对正交实验结果的直观及方差分析，优化其结构参数， 对于该类强化管的生产实践具有定的应用指导价值.

　　1 实验研究方法

　　目前， 多头螺旋管多用于空气能热水器的换热元件，根据其实际的传热方式，本文选定气-液的对流传热模型，即采用模拟多头螺旋管的实际工况，管外为高温空气，管内为冷水，经过不同相态流体介质的逆向对流，达到换热的目的.

　　本文从多头螺旋管的众多结构参数中选取了最具代表意义的3个参数作为研究的出发点，这3个因素分别为头数n，槽深e，及螺旋升角α，每个因素取3 种水平，综合分析，不考虑交互作用，采用正交表L9(34)来安排实验[2];利用Pro/E 分别建立实体模型，导入到ANSYS 中进行数值模拟分析[3-4];根据实验结果，得出综合性能评价指标PEC-1(换热面积A和输送流体能耗P相同时， 强化管传热量与基准管传热量的比值)[5-7]，通过对正交实验结果的直观及方差分析，找出各结构因素对多头螺旋管综合传热性能影响的主次关系，从而完成对多头螺旋管结构的优化.

　　2 边界条件及载荷施加

　　固体壁面处确定为无滑移条件，为了简化计算模型，假定换热过程，液体的物性参数为常值，管外的高温空气以恒定的温度载荷形式施加[8-11]，具体的载荷及流体物性参数如表1所示.

　　3 数值模拟结果分析

　　3.1 数值模拟结果

　　以六头螺旋管为例， 图1以纵截面上流体温度分布云图的方式反映了流体流动过程中其温度的分布情况， 图2 则是以数值曲线图的形式示出了其换热过程中出口流体横截面上的温度变化情况， 从图1、图2中可以看出，沿着流动方向，水温逐渐升高，在横截面上流体温度由管壁到流体中心， 温度呈对称递减，通过提取出口端面上的温度数据，从而可得到出口端流体的平均温度[12-13].

　　图3利用ANSYS中矢量图示操作示出了紊流过程中多头螺旋管内流体流动过程的速度分布，图4则是以出口流体为研究对象， 以具体的数据曲线反映了螺旋管出口流体横截面上速度的变化情况，从图3 中可以看出流体紊流的无序特征变得明显，近壁处流体的运动已不能看成大体上的轴向流动，而是表现为轴向、径向和周向上三维流动.由图4 不难发现，流体在近壁处速度变化剧烈，其流速的变化与到管壁的距离近似成反比的关系.同理，通过ANSYS中的选取功能，可导出出口端面上的速度数据，从而得到出口流体的平均速度[14-15].