1、.文场论-14-2023年第2 6 卷石油和化工设备不同材质花键管传热分析数值模拟阙延勇，苏方正，徐曦荣，刘鸿彦，吴丕杰（南京宝色股份公司，江苏南京2 1117 8）摘要利用Fluent软件对花键管在层流状态下的传热情况进行了研究，考察了不同材质、不同进口水温下对花键管的温度场、速度场、压力场的影响。结果表明，Ti与Q345steel、A 1材质的花键管传热效果基本相同，分析其导热系数以及材料特性可以得出钛效果最好。通过对花键管内流体流动特征可知，管子中间区域速度最大，随着流体的流动，速度和温度均发生变化。由不同进口水温花键管传热情况，分析其出口水、空气温度变化可知，进口水温T=350K时是水
2、-空气对流传热的临界值，对工业传热应用基础提供指导意义。【关键词钛；花键管；层流；传热效果引言自上个世纪50 年代以来，相较于传统的钢、铝等材料，钛及钛合金具有众多优良特性，尤以强度、硬度、轻质、耐蚀和耐热等特点最为突出，被广泛应用于化工 1-4、航空航天 5-8 、医疗制药 9-1、汽车 12-15 等领域，在国民工业基础应用中占据重要的地位。在钛及钛合金材料制成的设备性能以及材料特性研究中，其工业应用研究最为广泛。在化学工业中，Ding和Liu等 16-17 利用高通量扩散偶技术设计了一种成本低廉的超高强度亚稳钛合金,其成分为Ti-6A1-1Mo-1Fe-6.9Cr。合金沿不同状态进行热处
3、理,以研究热处理对相变、微观结构演变和拉伸性能的影响。结果表明,8 40 固溶处理后合金的时效强度高于8 0 0,而8 40 固溶处理和时效导致拉伸塑性略有下降。在石油工业中，陈雁等 18 利用卧式钛制反应器与传统搅拌槽反应器进行了微观物料物料混合的比较,结果表明钛制反应器比传统搅拌器混合效果明显。周伟等 19 通过控制变量对影响钢水钛控制因素进行分析,借助工艺结果调整实验步骤,结果表明合理的工艺优化可以提高钢水钛合金收得率，这种工艺方法大大提高了我国钛合金的利用率。在医药制药工业中，韩建业等 2 0 通过分析钛及钛合金口腔行业中的研究现状，结果表明口腔行业用钛材料要实现高质量化、高标准化等。
4、在电力工业中，刘文富 2 1 通过对钛及钛合金的应用进行分析,表明我国钛及其合金在电力工业中应用的可行性以及未来前景可观。综上可知，钛及钛合金在各行各业中均得到极大的应用。因此，本文对传热领域中最为常见的花键管进行研究，利用Fluent软件对花键管的传热情况进行了分析，考察了不同材质、不同进口水温下对花键管的温度场、速度场、压力场的影响，探究花键管最适宜传热的临界值。1数值模拟1.1三维模型及进口条件花键管的结构如图1所示，管子内径30 mm，外径7 5mm，长度30 0 mm，管壁有6 个等间距分布的长方体，长方体完全相同，宽度15mm，高度12.5mm。管子一端内圆流域为蒸馏水、外圆流域为
5、空气，彼此相对流动，空气流域进口速度为0.0 0 1m/S，温度2 9 5K，外壁温度32 0 K，蒸馏水进口速度0.0005m/s，温度2 0 0 K、2 50 K、30 0 K、350 K、40 0 K变化，花键管材质为Q345steel、T i、A l。0.00100.00200.00.0omm)50.00150.00图1三维模型作者简介：阙延勇（19 9 5一），男，助理工程师。15延勇等不同材质花键热分析数值模拟第8 期1.2计算模型采用Realizablek-模型 2 2 ,，Realizablek-模型和标准k-模型的主要区别是采用新的湍流粘度公式，这种模型满足对雷诺应力的约束条
6、件，可以在雷诺数应力上保持与真实流的一致,因此湍流模型选用Realizablek-e模型。1.3控制方程控制方程选用Realizablek-&模型连续性方程：po(pu)=0atox;(1)动量方程：ououa(pu),(puju,)Oxop2+S(2)ataxjaxOx;式中，p为密度，Oxi，o x;为坐标分量，ui，u j为平均相对速度分量，。为有效粘性系数，p为压强，S为广义源项。1.4网格无关性检验与边界条件为保证计算结果的正确性，对模型进行网格无关性验证。分别采用58.9 万、8 6.4万、12 0.9 万和16 0.1万网格的模型进行计算，结果如图2。可以看出随着网格数的增大，花
7、键管出口处速度逐渐趋于一致，当网格数大于12 0.9 万时，速度变化范围均在8%以内，因此综合考虑采用12 0.9 万网格数目。0.0010-587865-864043-12090890.0008+16012340.0006(s/)X0.00040.00020.0000-0.015-0.010-0.0050.0000.0050.0100.015X/mm图2 不同网格数下的出口速度分布管子整体采用四面体结构化网格，蒸馏水流域进行了局部加密，采用基于压力的求解方式，进口边界类型为Velocity-inlet，出口边界类型为Pressure-outlet。压力-速度项耦合方式为SIMPLE，固体壁面
8、处采用无滑移壁面处理，动量、瑞动能和耗散率离散格式均采用二阶迎风格式。2模拟结果及分析2.1温度场分析为了便于说明将a表示为进口水、出口空气端，b表示为出口水、进口空气端。图3为钛材质的花键管a、b 端和整个流体领域的温度云图，由图可以看出外层管壁温度从外向里逐渐减小，空气与水接触边界出现明显的温度差，整个蒸馏水流域温度无明显变化，出口空气端温度远高于进口空气端。b端空气与水接触部位出现明显温度扩散，这是因为空气与管外壁接触时间较少，未进行充分传热。Temperature319.242A317.727318.212314.697313.182311.687310.152308.6.38307.
9、121305.606304.001302.576301.061209.545298:030296.615295.000Kab0.0500.100(m)0.0250.075TomporaburoB319.242317.727316212314697313.182311.667310.152308:636307.121305:608304.091302.576301.061239.545298.030296515295.000KI0.0500.100(m)O.0250.075图3（A）a、b 管端与（B）花键管温度云图-16-2023年第2 6 卷论文广场石油和化工设备2.2速度场分析流体的速度变
10、化可以分析流体的流动状态，对传热分析的研究具有重要作用，图4为花键管a、b 端和整个流体领域的速度云图。由图4可知，贴近管壁，流体速度最小，速度接近于0，越往管子中间流体速度逐渐增加直至达到最大值，这是因为流体具有粘性，阻碍了管壁处流体的速度。通过a、b 端速度云图，可以看出进口水和空气明显大于出口端水和空气。Velocay0.0020.0020.0010.001A0.0010.0010.0010.0010.0010.0010.0010.0010.0000.0000.0000.0000.000(m5A1ab0.0500.100(m)D.025O.O75VelooltlyBO:0020.0020
11、.0010.0010.00100010.0010.0010.0010.0010.0010.0010.0000.0000.0000.0000.000mo10.0500.100(m)0.0215O.075图4(A）a、b 管端与（B）花键管速度云图2.3压力场分析图5为花键管a、b 端和整个流体领域的压力云图，从图可知整个流体领域压力值很小，几乎接近0，中间蒸馏水区域压力比较大。随着流体向出口流动，压力值逐渐减小，原因为流体的速度逐渐减小。2.4传热分析为了进一步了解花键管流体传热情况，对不同材质和不同进口水温下花键管速度与温度变化进行研究，得到表1，从表可知三种材质的花键管Pressure0.0
12、06O.0060.005AO.005O.0040.0040.0040.0030.0030.0030.002O.0020.0010.0010.0010.0000.000(Pa)abO.050G.100m)0.0250.075Pressure0.005B9.0088.005O.0050.0040.004O.0040.0038.0030.0030.0020.0020.0010.0010.0010.0000.000Pal0.00O.m)O.0250.075图5(A）a、b 管端与（B）花键管压力云图出口水、出口空气平均温度以及水流体域温度、空气流体域体积平均值基本相同；随着进口水温的增加，流体速度保持
13、不变，剩余变量依次增加；在进口水温T=200K、2 50 K、30 0 K 空气流体域温度体积平均值大于出口空气平均温度，水流体域平均温度小于出口水平均温度，在进口水温T=350K、40 0 K 时空气流体域温度体积平均值小于出口空气平均温度，水流体域平均温度大于出口水平均温度，说明这种温度下流体对流传热效果较好，因此进口水温T=350K时是花键管传热温度临界值。3结论本文通过对水-空气对流传热的花键管进行数值模拟研究，考察了花键管整体流动与传热特征，分析了不同材质、不同进口水温对花键管传热特征的影响，得出以下结论：(1)通过对花键管内流体流动特征可知，管子水-空气边界区域温差明显，管子中间区
14、域速度最大，随着流体的流动，速度和温度均发生变化。(2)对比三种材质的花键管，发现Q345steel、延勇等不同材质花键热分析数值模拟第8 期Ti和Al的传热效果相同，分析其导热系数以及材料特性可以得出Ti效果最好。(3)由不同进口水温花键管传热情况，分析其出口水、空气温度变化可知，进口水温T=350K时是水-空气对流传热的临界值。表1不同材质花键管在不同进口水温下传热情况(A)Tinlet-water=200K空气流体域水流体域出口水平出口空气出口空气平均水流体域水流体域平均速材质出口水平均速度温度体积平温度体积均温度平均温度速度平均温度度均值平均值Q345steel205.761K279.
15、369K0.0010338m/s0.000367041m/s286.592K202.397K202.461K0.000480499m/sTi205.759K279.369K0.0010338m/s0.000367041m/s286.591K202.397K202.461K0.000480499m/sA1205.762K279.369K0.0010338m/s0.000367041m/s286.592K202.398K 202.462K0.000480499m/s(B)Tinlet-water=250K空气流体域水流体域出口水平出出口空气出口空气平均水流体域水流体域平均速材质出口水平均速度温度体
16、积平温度体积均温度平均温度速度平均温度度均值平均值Q345steel253.181K 296.299K0.0010338m/s0.000367041m/s300.243K251.395K251.433K0.000480499m/sTi253.18K296.299K0.0010338m/s0.000367041m/s300.242K251.395K251.432K0.000480499m/sA1253.18K296.299K0.0010338m/s0.000367041m/s300.242K251.395K251.432K0.000480499m/s(C)Tinlet-waterr=300K空气流体域水流体域出口水平出出口空气出口空气平均水流体域水流体域平均速材质出口水平均速度温度体积平温度体积均温度平均温度速度平均温度度均值平均值Q345steel306.601K313.228K0.0010338m/s0.000367041m/s313.895K300.393K 300.404K0.000480499m/sTi306.601K313.228K0.0010338m/s0.00036704