納米流體在內置扭帶管中的流動傳熱特性研究進展

劉文盛，邢震，楊鶴 ，趙磊

（遼寧石油化工大學，遼寧 撫順 113000）

能源是工業社會發展的動力之源，隨著世界能源消耗日益增大，能源短缺已經成為當下不得不解決的問題。換熱是工業生產以及社會生活中必不可少的過程，在這個過程中往往伴隨著大量的能源消耗。因此提升換熱效率勢在必行，而換熱器作為最常用的熱交換設備，吸引了大量研究人員對其進行研究。在眾多研究中，被動強化換熱由于長期可持續性以及維護方便等優點，受到眾多研究人員青睞。扭帶內插物作為常見的被動強化換熱元件，其具有簡單易操作、成本低等優點，成為研究重點。

扭帶已被廣泛應用于管內以提高管內的傳熱性能，并且對壓降的影響較小。在內置扭帶的管道中，沿管道軸向流體速度較高，產生旋流，從而產生較高的傳熱。此外，扭帶提供了一種類似于擾流器的混合流，有助于強化傳熱。

LIM[1]等通過實驗的手段研究了在層流狀態下使用可變和恒定泵浦功率的扭帶插入管。其研究結果表明，扭帶可以增強對流換熱，但同時壓降也隨之增加，而壓降的增加主要歸因于二次旋流。其還對裝有內置扭帶的層流逆流同心圓管換熱器進行了實驗研究，研究結果表明，扭帶的使用使得摩擦因數提高了10倍，與此同時努塞爾數也得到了提高，數值為3倍。

SHELARE[2]等綜述了近年來扭帶強化傳熱的研究進展，還揭示了未來對扭帶的研究，這將使換熱器裝置得到更好改進，并為各種改進方法提供了思路，以實現傳熱改進的新進展

而在換熱工質上，納米流體作為新興的換熱工質，具有傳統換熱工質如水、導熱油等不具備的高導熱性的特點，于是研究人員將二者結合進行雙重強化換熱。在現有的研究中，很多研究人員已經對此進行了相關研究。

JU[3]對換熱管內多根半螺帶插入物的水熱性能進行了三維數值研究，旨在尋找使用納米流體（Al2O3/水）具有最高傳熱強化和最低摩擦因數的最佳情況。研究發現，增加半扭帶的數量增加了旋流的數量，并導致局部努塞爾數和摩擦因數的增加。當基液雷諾數為1 000時，隨著半扭帶數量從0增加到4，平均努塞爾數從15.13增加到28.42，平均摩擦因子從0.022增加到0.052。當雷諾數從250增加到1 000時，為基液。對于雷諾數為1 000，納米流體質量分數從0增加到3%，平均努塞爾數和摩擦因子分別提高了6.41%和2.29%。這項工作為使用多個半扭曲帶的扭曲帶與管集成的先進設計提供了指導，有助于為太陽能應用提供更高的能源需求。

HE[4]等在使用納米流體的湍流流體流動條件下，考察了在管中使用雙分離扭帶與單扭帶相比的效果，采用單相和兩相（混合物）模型對CuO-水納米流體在不同固體體積分數（1%～ 4%）管內的流動和傳熱進行了數值模擬。雷諾數從3 000到36 000不等。研究了CuO-水納米流體對努塞爾數、摩擦因數和性能評價指標的影響。研究發現，與單相模型相比，采用兩相混合模型可以得到更接近實際的結果。結果表明，單根扭帶管的最大性能效率系數為2.18，而相同條件下雙根扭帶管的最大性能效率系數為2.04。因此，從熱-流動力學角度考慮，使用單扭帶更有利。

張昌建[5]等通過實驗的方法研究了內置螺旋扭帶換熱器的換熱特性，實驗在一個冷態的工況下進行。研究結果表明，通過使用螺旋扭帶，可以加強管道的換熱效果。然而隨著流速的提高，換熱效果有所下降。

SHEIKHOLESLAMI[6]等基于熱力學第一、第二定律研究了湍流狀態下CuO/水納米流體在扭曲帶插入管中的作用。結果表明，二次流隨轉數的增加而增加，Bejan數和總熵隨著螺距比的增大而增大，但它們隨雷諾數和高度比的增大而減小。

除了上述研究，研究人員還提出了多種組合方式，研究了扭帶的扭轉比、表面開孔以及納米流體濃度等對增強換熱的影響。由于大量的組合性導致在工程實際中往往難以選擇，所以本文綜述前人研究結果，力求整理的數據對實際生產有一定的指導意義。

1 扭帶的分類及應用

1.1 扭帶的分類

自1960年以來，專家和設計師已經進行了幾項實驗，以檢查不同扭帶的熱工水力執行情況。扭帶可以用鋁、銅、鋼或聚合物塑料的合理方法制成各種結構。不同材料適用于不同區域和特定環境。不過扭帶最主要的特征在于扭轉比，其表達式如式（1）所示，扭帶特征示意圖如圖1所示。

圖1 扭帶特征示意圖

除此之外，研究人員對于扭帶進行改變，以求得到更好的傳熱效果，表1為常見扭帶類型。扭帶的形式遠不止于此，其中在扭帶中心開孔的類型就包括圓孔、方孔以及矩形開口等，同樣在邊緣切角的形式也有很多種，其中開孔的距離大小等都會影響傳熱的結果，這些都需要進一步討論。

表1 常見扭帶

1.2 扭帶的應用

基于種類繁多的扭帶類型，很難作出一個統一比較。因為在關聯具體工況后會產生復雜的流動與換熱情況，這些扭帶在不同雷諾數以及不同的換熱工質下都有獨特的表現，同時復雜結構的扭帶往往會帶來一些負面效應，例如說易結垢、難清理等問題。

傳統扭帶作為最經典的扭帶類型，也是迄今為止使用最為廣泛的扭帶，研究人員對其的研究結論幾乎一致，關于扭轉比，盡管研究人員所使用的非同一扭轉比，但是還是比較容易發現，最佳換熱性能的扭轉比在Y=2附近。BAHIRAEI[8]等研究了扭轉比為2.5、3.0、3.5條件下的換熱性能，結果表明最佳扭轉比為2.5。苗艾印[14]等為優化螺旋扭帶的結構參數，后續進行了3種扭率下（Y為1、2、3）內置螺旋扭帶管的數值模擬，結果表明扭率Y=2時螺旋扭帶的綜合傳熱性能較好。孫斌[15]等對納米流體在內置螺旋扭帶管的傳熱進行了數值模擬，結果表明，在扭轉比Y在2.5～7.5的范圍內，扭轉比越小努賽爾數Nu越大，換熱效果越好。在其他變量一致時，扭轉比越小，內置扭帶所帶來的換熱效果提升就越大。

此外，EIAMSA-ARD[7]等對雙扭帶管進行了研究，在扭轉比Y為2.5～4.0的區間下比較了正反雙扭帶的傳熱效果，其結論與傳統扭帶一致，扭轉比的減小有助于提高換熱效果。而在上述結論中也發現，在扭轉比為Y=1時的綜合換熱效果要低于Y=2。原因在于，扭帶的使用增加了流體在管內的換熱時間，同時在扭帶附近產生較大的速度激增，對于黏性邊界層與傳熱邊界層造成極大破壞，從而提高了傳熱效果，而扭轉比持續減小會對管內流動產生較大的阻力，所以降低了綜合傳熱系數，這個阻力隨著雷諾數的增加會進一步加大，這是在工程實際中需要考慮的。

另一方面，WANG[10]等對于帶孔扭帶進行了研究，結果表明扭帶上的孔可以強化換熱性能，管內流動溫度隨孔間距的增大而降低。在進行研究的3種孔形狀，圓形、方形和三角形中，圓形孔產生的換熱效果最好，在摩擦阻力上，帶孔的扭帶會產生更大的阻力，隨著孔間距的降低而增大。PANELIYA1[13]等考慮了變螺距對于內置扭帶管的換熱性能影響，如圖2所示，對比了3種螺距扭帶下換熱效果。實驗結果表明，變螺距扭帶的傳熱效果要優于等螺距扭帶及光管，與光管相比，變螺距扭帶的傳熱速率和總傳熱系數分別提高了2.58倍和3.39倍。

圖2 變螺距扭帶

2 納米流體在內置扭帶管中的傳熱

2.1 納米流體的概念

納米流體這一概念自從1998年由CHOI[16]等提出后，受到了眾多研究人員的青睞。在換熱領域，研究人員把它作為替代水、油等傳統工質的新興換熱工質。在搭配內置螺旋扭帶管的雙重強化換熱下，兩者結合擁有著不俗的換熱性能提升，在兩者搭配使用的同時，除了扭帶的性能參數需要討論以外，在搭配納米流體后更需要進一步研究二者的性能。高濃度納米流體會帶來更大的導熱系數的提升，然而與此同時帶來的高黏性同樣制約著換熱效果的提升，所以在一個合理的范圍內使用納米流體是有必要的。

2.2 納米流體濃度的影響

納米流體的濃度直接影響換熱效果，在現有的針對內置螺旋扭帶管搭配納米流體的研究中，大量研究人員的研究結果表明，提升納米流體的濃度會獲得更好的換熱效果。BAHIRAEI[8]等使用了石墨烯納米片的環保型納米流體在用扭帶強化的管道中進行了研究?？勺儏蛋ㄞD速、扭曲比和納米顆粒質量分數，并評估了它們的影響。結果表明，隨著納米流體的質量分數從0提升到0.1%，管道內壓降提升，整體的換熱性能有所提升。

胡旺盛[17]等搭建了實驗平臺，采用兩步法制備了Al2O3-水納米流體，重點研究了質量分數在1%～3%下的Al2O3-水納米流體的傳熱特性，他們的實驗結果表明，在雷諾數20 000～65 000的湍流工況下，如果增加納米流體的濃度，那么就會增強總體的換熱效果。而隨著雷諾數的增大，這個增強的效果在減弱。此外他們還制備了Al2O3/CuO-水混合納米流體，相同條件下混合納米流體的傳熱性能相對于單納米流體有所提升，但沒有顯著優勢。

DALKILI?[12]實驗研究了四通道扭帶插入的水平光滑管內Graphite-SiO2/Water混合納米流體的湍流換熱特性。以純水為基液，使用2種不同的納米顆粒（60% Siliciumdioxid、40% Graphite）得到混合納米流體。實驗針對2種不同的體積分數，分別為0.5%和1%。四通道扭轉帶插入件的長度在0～42 cm之間，扭轉比恒定為5。雷諾數為3 400～11 000。結果表明，混合納米流體的努塞爾數隨著質量流量和體積分數的增加而增加。此外，摩擦阻力隨著體積分數的增加而增加。

2.3 納米流體其他參數對換熱的影響

除了濃度以外，納米顆粒的屬性也對換熱過程產生著重要的影響。ZHANG[18]等探究了以空氣為基的納米流體在扭帶管中的換熱，發現由于布朗擴散的影響，50 nm以下的納米顆粒的沉積明顯多于50 nm以上的納米顆粒。50～100 nm之間的納米顆粒的抗污染性差異較小。此外，發現污垢熱阻隨著Re的增加而減小。林清宇[19]等對納米顆粒的大小對換熱過程所產生的影響作出了相關研究，研究對象為納米顆粒粒徑為 30、40、50、60 nm 的 Al2O3-水基納米流體。研究結果表明，使用納米流體可以提高努塞爾數，而隨著納米顆粒粒徑的減小，提升效果也隨之減弱。另一方面，納米流體雖然擁有著良好的導熱性，但是其在循環過程中表現出不穩定的特性，在一個長期循環過程中極易發生團聚、沉積等問題。這也是制約納米流體使用的關鍵性問題，大量的研究人員對于其穩定性進行了研究，采用了分散劑、超聲振蕩等方法，但依舊不能使納米顆粒在基液中保持一個長久的懸浮性，而較低濃度的納米流體在穩定性上要好一些。

3 數值模擬設定及評價標準

3.1 數值模擬設定

數值模擬近些年愈發成熟，其核心就在于將復雜的物理現象轉化為可通過計算機求解的數學方程。數值模擬的使用讓研究人員節省了大量的實驗成本，同時在一些難以控制的條件上可以通過參數化來實現絕對控制，例如絕熱條件，實驗室中無法達到絕對的絕熱環境，而在數值模擬中卻可以輕易實現。對于納米流體在內置扭帶管中的流動與傳熱分析，已有大量的研究人員進行了數值模擬。大多數的研究人員選擇了以下設定[20-25]。

1）對于進口，選用速度入口；對于出口，選用壓力出口。

2）扭帶和管壁都是靜止且絕熱的。

3）假設納米流體的物性參數不隨著溫度發生變化。

4）施加恒定的熱通量。

5）對于湍流模型選取RNGk-e模型，使用壁面函數。

3.2 評價標準

扭帶的使用提高了努塞爾數，但與此同時也增加了流體流動的阻力。所以用努塞爾數來評價扭帶的性能是不準確的，因為在阻力的作用下還會造成能源消耗。因此在這個背景下，研究人員提出了使用PEC性能評價指標來衡量納米流體在內置扭帶管中的強化傳熱效果。PEC值表示在相同的條件下，泵功下強化換熱管與光管傳熱性能的對比。如果PEC的值比1大，那么就說明該換熱裝置具有強化傳熱的效果。而且PEC數值的大小也是傳熱效果的大小。到目前為止，PEC性能評價指標是認可度最高的方法，其計算公式如式（2）所示。

4 結 論

1）納米流體和內置扭帶管共同作用下的換熱效果要優于單獨使用。

2）降低扭帶的扭轉比會提高努塞爾數，但同時會增大摩擦阻力，最佳扭轉比在Y=2附近。

3）納米流體的濃度直接影響換熱效果，隨著濃度的增大，納米流體在內置扭帶管中的換熱效果上升，但是由于納米流體不穩定的特性，建議在一個較低的濃度下使用。

4）PEC是目前認同最高的評價方法，可以用來評價納米流體在內置扭帶管中的換熱性能。