一种新型卷管卷管中除冰流体的研究

摘要

飞机地面除冰操作很重要，无法在冬季确保民用飞行安全。螺旋盘绕管是中文除冰流体加热系统中的重要热交换器。为了提高除冰效率，研究侧重于管中除冰流体的传热增强。基于现场协同原理，通过内壁上的环形肋凸起设计了一种新的RESHAPED管（TCHC）。除冰流体是高粘度乙二醇基混合物。由于高粘度和温度之间的功率功能关系，粘度对热传递产生负面影响。环形肋和入口速度的数量是传热性能的两个关键参数。对于水和乙二醇，当环形肋的数量增加到一定限度时，出口温度上升。然而，速度的增加减少了加热时间，从而导致较低的出口温度。进行原料的加热试验。 The error between experiment and simulation is less than 5%. The outlet temperature of TCHC increases by 3.76%. As a result, TCHC efficiently promotes the coordination of velocity and temperature fields by changing the velocity field. TCHC has enhanced heat transfer of high viscosity deicing fluid.

1.介绍

在雪地和冰雪的情况下，地面除冰对于民用飞行的安全性很大。近年来，飞机地面集中脱色已在世界上发展。地面除冰流体加热系统的主要结构[1[中国制造]如图所示1．螺旋盘绕管是系统中的重要热交换器。需要在管中快速加热高粘度除冰流体。为了提高除冰效率并确保飞行刺点，重要的是研究除冰流体的传热增强。

除冰流体是复合的乙二醇基混合物。它的粘度随着温度的增加而变化，这显然会影响热传递。大多数关于除冰流体的研究主要是关于材料特性[2那3.]．然而，关于热传导的文献却很少公开报道。结构变形是一种常用而有效的强化传热方法。针对快速加热除冰流体的问题，本课题组提出了一种基于场协同原理的新型管——横向波纹螺旋盘管(TCHC)。

传热增强一直是热点。现场协同原理是在这方面的一个小说理论，最近由中国学者郭国提出。该原理表明，传热强度不仅与速度和流体特性有关，而且是速度和温度场之间的协同程度[4.-6.]．通过改善速度场和温度场之间的协调，可以达到强化传热的目的。基于这一原理，通过改变流场来强化直管换热的研究已经进行了很多[7.-10]．这一原理已被许多研究人员广泛测试和应用。

许多学者已经研究了螺旋盘管内的流量。迪恩[11那12]给出了螺旋管内流动的Navier-Stokes函数。由于内部流动压力的差异，二次流被证明是提高换热效率的有效途径。20世纪末以来，计算流体力学(CFD)技术得到了迅速发展[13那14]．Palanichamy和Nagaraj [15使用有限差值数值代码介绍了圆形管中的圆形管中的层流传热的数值模拟。天等。[16[数值对六个几何参​​数和针翅布置的影响在流动方向上的热液性能下进行了规范

采用数值方法分析了螺旋管的几何构型和流动参数对螺旋管传热的影响。林和艾巴迪安[17] Di Piazza和Ciofalo [18]研究了管道的螺距和曲率对对流换热的影响。这模型是Jones和Launder在1972年提出的双方程湍流模型[19]．这模型是最广泛使用的完整湍流模型。它被包含在大多数CFD代码中[20.]．可实现的Shih等人提出的模型已被验证，用于模拟各种流量，包括旋转均匀剪切流量，通道流和边界流动[21那22]．Hüttl和弗里德里奇[23]表示曲率比对二次流动产生强烈影响。Zachár[24研究了在管的外表面上的自然对流诱导的传热。考虑了不同的几何配置和流量参数。将流体流体边界条件设定为实现实际的流量配置。内侧传热率的结果通过现有的经验公式和实验结果进行了测试。

针对除光液的传热增强，TCHC是基于现场协同原理设计的。作为理想的流体，研究了对粘度的影响对比的水。由于复杂性质，通过其主要成分，乙二醇简化了除冰流体。环形肋和入口速度的数量是传热性能的两个关键参数。在TCHC和原料中模拟这些参数的乙二醇和水的变化。选择出口温度作为评价指标。进行加热实验以验证模拟。

2.数值方法

为了传热增强除冰流体，原始螺旋盘管基于现场协同原理重新呈现给TCHC。

2.1。几何配置

环形肋在TCHC的内壁上是相等的凸起凸起。TCHC内部的环形肋的结构已经呈现在图中2．当通过环形肋时，流速改变。因此，产生额外的干扰以增强传热。

为了研究环肋如何影响传热，通过改变环形肋的数量来获得三种类型的TCHC。原始管设置为否定。1管相比。具有不同数量的环形肋的TCHC被设定为2号到4管。原始管和TCHC的模型如图所示3.．四种类型的管的详细参数显示在表中1．

2.2。网格生成

采用结构网格技术对六面体结构中的三种不同网格模型进行网格化。图中显示TCHC和原管的网格生成4.．壁的厚度被简化，因此流体通过的部分被啮合。为了清楚地显示管的网状物，通过使空心管看起来像固立管的固体简单显示器是一种方法。

表格中给出了具有不同数量的环形肋的TCHC的网格量2．网格分布均匀，满足数值模拟的要求。为了使计算更精确，环肋的网格比其他零件更紧凑。

对原管和TCHC进行了网格歪斜值测试。超过97%的电网在0.4以内。网格划分满足计算要求。

3.控制方程和边界条件

3.1。保护方程式

流体力学的基本方程包括连续性方程，动量方程和能量方程，呈现为（1） 和 （3.)据怀特说[25]．在大量实验的基础上，CFD的主要思想是根据不同的流体动力问题构建不同的模型。应用不同的数值方法来解决相关的微分方程。

连续性方程式 在哪里是密度，是汉密尔顿运算符，还有是速度矢量。

动量方程 在哪里压力，是粘性压力张量，而且是额外的体积应力。

能量方程式 在哪里是热力学能，为导热系数，是温度，和是粘性耗散术语。

3.2。湍流模型

湍流模型是从实验中求出的半透镜公式。它通过解决来决定粘度系数方程和方程;然后确定湍流应力。

标准的功能模型 [19]计算为 在哪里是湍流的动能，是湍流耗散率。 那 那和常量: , ， 和   ．和拥有动荡的普兰特数量的重要性和对于运输过程： 和   ．是平均速度分量。和是用户自定义的源项。是湍流涡粘度： ,在那里建议作为持续值，其值为0.09。为动态粘度。由于浮力引起的湍流动能。是由速度梯度引起的应力源项。是可压缩湍流中的脉动膨胀项。

实现的功能模型 [21]被定义为 在哪里 那速度应变速率张量表示为 那是运动粘度，和和是数值模拟中的常数。

这可实现的等式湍流模型类似于标准方程。在前者中，湍流粘度配方的常数变化以满足现实条件。此外，源期限方程不再相关 ．雷诺应力术语不出现在等式中，这是良好的，这对于代表不同尺度之间的能谱传递。

3．3．边界条件

仿真边界条件如下所示:（1）求解器选择是基于压力，隐式差分方案和激活能量方程的三维形式。（2）可实现的选取适合于螺旋管的湍流模型进行数值计算。（3）近墙采用Standard-Wall-Functions处理。（4）压力与速度的耦合采用SIMPLE算法。（5）压力松弛系数设为0.3。剩余能量设为 ．（6）势头，能量和湍流作为二阶Upwind方案应用。

进入条件应用为速度入口。根据实际的工作条件，参考入口速度为12.45米/秒，由除冰流体的最大通量计算。然后，将四种不同的入口速度设定为仿真。采用管壁的加热边界条件用于均匀的壁温，其是恒定的，373k。没有壁滑移条件适合于壁表面。出口设置为压力插座。入口处的工作介质温度设定为278k。

为了研究高粘度除尘流体对TCHC中热传递的影响，首先模拟水以进行对比度。作为复合乙烯 - 二醇的混合物，通过其主要成分，乙二醇简化了除冰流体。UDF模型用于编制乙二醇的粘度温度函数。所需的其他物理参数被设置为常量，如密度 那比热力 那和热导率 ．管的材料是钢310.物理参数如表所示3.．

4.用水模拟

根据实际工况，分别取5 m/s、7.5 m/s、10 m/s、12.5 m/s、15 m/s来计算TCHC和原管的出口温度。选择水作为理想的除冰液，对比除冰液粘度的影响。选择出口温度作为评价指标。出口温度越高，换热性能越好。

4.1。环形肋骨数量

考虑到环形肋的数量如何影响传热，水的出口温度在TCHC和原管中进行了不同入口速度下的分析。换热过程的结果总结在图中5.．

如图所示5.， NO的所有出口温度。2,没有。3,没有。4管比NO高。1管。随着环肋数的增加，温升趋于平缓。因此，当环肋数超过一定限度时，出口温度无法继续上升。环肋通过增加径向速度来改变流动状态。温度场基本上保持径向。基于场协同原理，环肋可以通过改善速度场和温度场的协调来强化传热。

4.2。入口速度

综上所述，出口温度受进口速度的影响。研究了不同流速对出水温度的影响显示在图中6.． 在哪里 那 是不同的入口速度的数量。

从图中看到6.那否。1管高于TCHC，特别是在低入口速度（<10米/秒）。当入口速度增加时，出口温度越来越低。水需要更少的时间来穿过管。缩短的加热时间直接影响出口温度。

在图中的高速范围内，所有管趋于平坦6.．TCHC的变化不会像原来的管一样大。由于环形肋，与原始管相比，TCHC受入口速度的影响较小。

5.用除光液进行模拟

5．1.除冰液的粘温配合

除冰液是复杂的乙烯-乙二醇混合物。热物理性质随温度的变化呈非线性变化。因此，除冰液被主要成分乙二醇简化。参照实验，粘度随温度的变化如表所示4.．

考虑到不同的函数形式，幂函数的拟合与实际点最为吻合。乙二醇的粘度随温度的升高呈非线性下降。拟合曲线如图所示7.．方程(7.）来自粘度和温度之间的关系。

拟合的幂函数计算如下

5.2。环形肋骨数量

乙二醇出口温度，如图所示8.．当环形肋的数量增加时逐渐上升。与数字相比5.那上升不到一般来说。高粘度与热传递成反比，因为它增厚了流体的边界层。当入口速度增加时，一般因加热时间缩短而减少。此外，对于乙二醇和水，TCHC都可以实现传热强化。

5.3。入口速度

乙二醇的温差随着入口速度的变化而变化。的倾向如图所示9.．

与水同样，可以计算为

在图中见过9.，由于高粘度与温度的幂函数关系，变化大于相比之下,图6.（特别是7.5 m / s-10 m / s）。在高速范围内，所有管趋于平坦。

6.基于协同原理的讨论

现场协同原理是一种新型传热增强理论。速度场和温度场之间的协调对传热增强具有积极影响[5.那6.]．方程(9.）对对流传热提供更通用的见解。有两种方法可以增强传热：（a）增加雷诺和/或prandtl号码;（b）增加无量纲集成的价值[4.]．

的无量纲积分中9.）可以表示为 在哪里是速度矢量和温度梯度（热流矢量）之间的夹角。

数字10绘制了NO的出口速度场。1号管和4号管入口速度相同。运动在NO。4管比NO管更明显。1管。由于环肋的存在，流体从壁面到中心的运动得到了加强。环肋通过打破流动边界层的厚度来改变速度场。如图所示10， TCHC内流动混合良好，温度分布更加均匀。TCHC有效地提高了速度场和温度场的协调性。因此，TCHC可以实现强化传热。

7.加热实验

进行原料的加热试验。实验结果如图所示11．在稳定的工作状态下，出口温度在350 K基本上稳定。

错误 （）在实验和模拟之间可以表示为

通过计算,小于5％;因此，实验验证了数值方法的正确性。在相同的工作条件下，与实验数据相比，TCHC的出口温度增加了3.76％。因此，TCHC具有比原始管更好的传热性能。

8.结论

基于现场协同原理，原始的螺旋盘管被重新装入TCHC。在TCHC和原料中分析了除冰流体的传热。选择水与对粘度的影响进行除冰流体对比。选择出口温度作为评价指标。环形肋和入口速度的数量是传热性能的两个关键参数。结果总结如下：（1）环肋数和进气速度对换热有较大影响。对于水和乙二醇，当环肋数增加到一定限度时，出口温度升高。然而，速度的增加减少了加热时间，从而导致较低的出口温度。（2）高粘度与传热成反比，因为粘度增厚了流体边界层。乙二醇的出口温度升高并不像水一样明显。（3）与原料相比，TCHC中的水和乙二醇在TCHC中更有效地加热。环形肋基于现场协同原理改变速度场。结果，TCHC改善了速度和温度场之间的协调。（4）实验与仿真的误差小于5%。TCHC的出口温度比原管提高了3.76%。

通常，TCHC具有增强的高粘度除冰流体的传热。因此，TCHC有利于制剂效率和飞行刺点。

命名法

：	密度（kg / m3.）
：	速度矢量
：	压力（PA）
：	粘性应力张量
：	额外的体积应力
：	内部能量
：	导热系数（W / M·K）
：	温度(K)
：	出水温度(K)
：	水的温差（k）
：	乙二醇出口温度(K)
：	乙二醇(K)温差
：	实验的出口温度（k）
：	不同入口速度的数量
：	实验与仿真之间的误差（％）
：	粘性耗散术语
：	湍流动能
：	湍流耗散率
：	平均速度分量
：	动态粘度（kg / m·s）
：	湍流涡粘度（kg / m·s）
：	由于浮力引起的湍流动能
：	脉动膨胀术语
：	由速度梯度引起的应力源项
：	速度应变速率张量
：	运动粘度(m2/ s）
：	螺旋盘式管（M）的内径
：	螺旋盘管外径(m)
：	Ring-rib高度(米)
关于：	Reynolds号码
PR：	普朗特数
ν:	努塞尔号。

利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

致谢

天津市自然科学基金资助项目(no . 15JCQNJC42900);国家自然科学基金资助项目(no . 51505483);中央高校基本科研业务费资助项目(no . 3122013C012)。

参考

1. 孙森、王立伟，“飞机除冰液的瞬时热结构研究”，机床及液压，卷。38，不。8，pp。59-60,2010。查看在：谷歌学者
2. AMS 1424J De-in-in-in-ining /防冰流体飞机，SAE I型，2006年。
3. AMS 1428E流体，飞机去冰/防冰，非牛顿（伪塑料），SAE II型，III和IV，2006年。
4. Z. Y. Guo，W. Q. Tao和R. K. Shah，“现场协同（协调）原则及其在提高单相对流传热中的应用”，国际传热与传质学报，卷。48，不。9，pp。1797-1807,2005。查看在：出版商网站|谷歌学者
5. Z. Y. Guo，D. Y. Li，以及B. X. Wang，对流热传递增强的新概念，“国际传热与传质学报第41卷，第2期。14，第2221-2225页，1998。查看在：出版商网站|谷歌学者
6. 郭志刚，“对流换热机理与控制——速度与热流场的协调”，科学通报，卷。46，没有。7，pp。596-599，2001。查看在：出版商网站|谷歌学者|MathSciNet
7. 郭志勇，李志祥，“金属丝插入在通道流动中的强化传热研究”，国际传热与传质学报，卷。44，不。7，pp。1373-1378,2001。查看在：出版商网站|谷歌学者
8. 刘伟，刘振民，郭振民，“对流换热层流场的物理量协同与强化换热分析”，工程热物理学报，2015,48(1):1 - 5。科学通报，卷。54，没有。19，PP。3579-3586，2009。查看在：出版商网站|谷歌学者
9. W.刘，Z.C.刘和S. Y.Huang，“湍流传热领域的物理量协同作用及其传热增强分析”科学通报(第55卷第1期)23页，2589-2597,2010。查看在：出版商网站|谷歌学者
10. W. Liu，Z. C. Liu和L. Ma，“应用多场协同原理在管中对流热传递增强性能评估”中的应用，“科学通报，卷。57，没有。13，pp。1600-1607,2012。查看在：出版商网站|谷歌学者
11. W. R. Dean，“XVI。关于弯曲管道的液体的注意事项，“伦敦，爱丁堡和都柏林哲学杂志和科学杂志，卷。4，不。20，pp。208-223,1927。查看在：出版商网站|谷歌学者
12. W. Dean，“Lxxii。他在弯曲管道（第二纸）中流动流体的线 -伦敦，爱丁堡和都柏林哲学杂志和科学杂志，卷。5，不。30，pp。673-695,1928。查看在：出版商网站|谷歌学者
13. E. C. Romão，“用有限元法求解传热问题，构建线性系统的有效替代方案”，工程中的数学问题，卷。2016年，第1-7页，第1-7号，2016年。查看在：出版商网站|谷歌学者
14. S. M. Mehdi，M.Akhtar，A.Hussain，D. S. Alothmany，以及S. Aziz，CFD研究了层压管的波状管内的液体钠研究：雷诺数，波间距和波浪幅度的影响。工程中的数学问题，卷。2016年，文章ID 6146195，p。2016年17日。查看在：出版商网站|谷歌学者
15. R. Palanichamy和P. Nagaraj，“具有内部纵向翅片的铝圆形管中层流传热的数值模拟”国际建模与仿真杂志，卷。30，没有。2，pp。204-210，2015。查看在：出版商网站|谷歌学者
16. e .田杨绍明。关铭他和W.-Q。Tao，“交错圆针状翅片管束上的翅片管组数值模拟”，数值传热，A部分:应用，第68卷，不。7, pp. 737-760, 2015。查看在：出版商网站|谷歌学者
17. C. X. Lin和M. A. Ebadian，“螺旋管中湍流对流换热的研究”，国际传热与传质学报，第40卷，不。16页，3861-3873,1997。查看在：出版商网站|谷歌学者
18. I. Di Piazza和M. Ciofalo，“螺旋管中湍流流动和传热的数值预测”，国际热科学杂志，第49卷，第2期。4, 653-663页，2010。查看在：出版商网站|谷歌学者
19. W. P. Jones和B. E. Launder，“用紊流的两方程模型预测层状化，”国际传热与传质学报，卷。15，不。2，pp。301-314,1972。查看在：出版商网站|谷歌学者
20. S. B.教皇，湍流，剑桥大学出版社，剑桥，英国，2000。
21. T.-h.Shih，W. W. Liou，A. Shabbir，Z. Yang和J. Buu，“一个新的高雷诺数湍流流动的涡流粘度模型，“电脑和流体，卷。24，不。3，pp。227-238,1995。查看在：出版商网站|谷歌学者
22. M. Lateb, C. Masson, T. Stathopoulos和C. Bédard，“各种类型的比较K.-ε.污染物排放模型围绕着两座建筑的配置，”风工程与工业空气动力学杂志，卷。115，pp。9-21,2013。查看在：出版商网站|谷歌学者
23. T.J.Hüttl和r.Friedrich，“曲率和扭转对螺旋盘管湍流的影响”，国际热流体杂志，卷。21，不。3，pp。345-353,2000。查看在：出版商网站|谷歌学者
24. A.Zachár，“对卷轴热交换器外侧传热速率的自然对流调查”，“国际传热与传质学报(第55卷第1期)25-26，pp。7892-7901,2012。查看在：出版商网站|谷歌学者
25. F. M. White，流体力学，美国纽约州，纽约，麦格劳-希尔出版社，1994。

版权

版权所有:吴孟丽等这是一篇开放获取的文章创意公共归因许可证如果正确引用了原始工作，则允许在任何媒体中的不受限制使用，分发和再现。