纳米流体在内置扭带管中的流动传热特性研究进展

刘文盛，邢震，杨鹤 ，赵磊

（辽宁石油化工大学，辽宁 抚顺 113000）

能源是工业社会发展的动力之源，随着世界能源消耗日益增大，能源短缺已经成为当下不得不解决的问题。换热是工业生产以及社会生活中必不可少的过程，在这个过程中往往伴随着大量的能源消耗。因此提升换热效率势在必行，而换热器作为最常用的热交换设备，吸引了大量研究人员对其进行研究。在众多研究中，被动强化换热由于长期可持续性以及维护方便等优点，受到众多研究人员青睐。扭带内插物作为常见的被动强化换热元件，其具有简单易操作、成本低等优点，成为研究重点。

扭带已被广泛应用于管内以提高管内的传热性能，并且对压降的影响较小。在内置扭带的管道中，沿管道轴向流体速度较高，产生旋流，从而产生较高的传热。此外，扭带提供了一种类似于扰流器的混合流，有助于强化传热。

LIM[1]等通过实验的手段研究了在层流状态下使用可变和恒定泵浦功率的扭带插入管。其研究结果表明，扭带可以增强对流换热，但同时压降也随之增加，而压降的增加主要归因于二次旋流。其还对装有内置扭带的层流逆流同心圆管换热器进行了实验研究，研究结果表明，扭带的使用使得摩擦因数提高了10倍，与此同时努塞尔数也得到了提高，数值为3倍。

SHELARE[2]等综述了近年来扭带强化传热的研究进展，还揭示了未来对扭带的研究，这将使换热器装置得到更好改进，并为各种改进方法提供了思路，以实现传热改进的新进展

而在换热工质上，纳米流体作为新兴的换热工质，具有传统换热工质如水、导热油等不具备的高导热性的特点，于是研究人员将二者结合进行双重强化换热。在现有的研究中，很多研究人员已经对此进行了相关研究。

JU[3]对换热管内多根半螺带插入物的水热性能进行了三维数值研究，旨在寻找使用纳米流体（Al2O3/水）具有最高传热强化和最低摩擦因数的最佳情况。研究发现，增加半扭带的数量增加了旋流的数量，并导致局部努塞尔数和摩擦因数的增加。当基液雷诺数为1 000时，随着半扭带数量从0增加到4，平均努塞尔数从15.13增加到28.42，平均摩擦因子从0.022增加到0.052。当雷诺数从250增加到1 000时，为基液。对于雷诺数为1 000，纳米流体质量分数从0增加到3%，平均努塞尔数和摩擦因子分别提高了6.41%和2.29%。这项工作为使用多个半扭曲带的扭曲带与管集成的先进设计提供了指导，有助于为太阳能应用提供更高的能源需求。

HE[4]等在使用纳米流体的湍流流体流动条件下，考察了在管中使用双分离扭带与单扭带相比的效果，采用单相和两相（混合物）模型对CuO-水纳米流体在不同固体体积分数（1%～ 4%）管内的流动和传热进行了数值模拟。雷诺数从3 000到36 000不等。研究了CuO-水纳米流体对努塞尔数、摩擦因数和性能评价指标的影响。研究发现，与单相模型相比，采用两相混合模型可以得到更接近实际的结果。结果表明，单根扭带管的最大性能效率系数为2.18，而相同条件下双根扭带管的最大性能效率系数为2.04。因此，从热-流动力学角度考虑，使用单扭带更有利。

张昌建[5]等通过实验的方法研究了内置螺旋扭带换热器的换热特性，实验在一个冷态的工况下进行。研究结果表明，通过使用螺旋扭带，可以加强管道的换热效果。然而随着流速的提高，换热效果有所下降。

SHEIKHOLESLAMI[6]等基于热力学第一、第二定律研究了湍流状态下CuO/水纳米流体在扭曲带插入管中的作用。结果表明，二次流随转数的增加而增加，Bejan数和总熵随着螺距比的增大而增大，但它们随雷诺数和高度比的增大而减小。

除了上述研究，研究人员还提出了多种组合方式，研究了扭带的扭转比、表面开孔以及纳米流体浓度等对增强换热的影响。由于大量的组合性导致在工程实际中往往难以选择，所以本文综述前人研究结果，力求整理的数据对实际生产有一定的指导意义。

1 扭带的分类及应用

1.1 扭带的分类

自1960年以来，专家和设计师已经进行了几项实验，以检查不同扭带的热工水力执行情况。扭带可以用铝、铜、钢或聚合物塑料的合理方法制成各种结构。不同材料适用于不同区域和特定环境。不过扭带最主要的特征在于扭转比，其表达式如式（1）所示，扭带特征示意图如图1所示。

图1 扭带特征示意图

除此之外，研究人员对于扭带进行改变，以求得到更好的传热效果，表1为常见扭带类型。扭带的形式远不止于此，其中在扭带中心开孔的类型就包括圆孔、方孔以及矩形开口等，同样在边缘切角的形式也有很多种，其中开孔的距离大小等都会影响传热的结果，这些都需要进一步讨论。

表1 常见扭带

1.2 扭带的应用

基于种类繁多的扭带类型，很难作出一个统一比较。因为在关联具体工况后会产生复杂的流动与换热情况，这些扭带在不同雷诺数以及不同的换热工质下都有独特的表现，同时复杂结构的扭带往往会带来一些负面效应，例如说易结垢、难清理等问题。

传统扭带作为最经典的扭带类型，也是迄今为止使用最为广泛的扭带，研究人员对其的研究结论几乎一致，关于扭转比，尽管研究人员所使用的非同一扭转比，但是还是比较容易发现，最佳换热性能的扭转比在Y=2附近。BAHIRAEI[8]等研究了扭转比为2.5、3.0、3.5条件下的换热性能，结果表明最佳扭转比为2.5。苗艾印[14]等为优化螺旋扭带的结构参数，后续进行了3种扭率下（Y为1、2、3）内置螺旋扭带管的数值模拟，结果表明扭率Y=2时螺旋扭带的综合传热性能较好。孙斌[15]等对纳米流体在内置螺旋扭带管的传热进行了数值模拟，结果表明，在扭转比Y在2.5～7.5的范围内，扭转比越小努赛尔数Nu越大，换热效果越好。在其他变量一致时，扭转比越小，内置扭带所带来的换热效果提升就越大。

此外，EIAMSA-ARD[7]等对双扭带管进行了研究，在扭转比Y为2.5～4.0的区间下比较了正反双扭带的传热效果，其结论与传统扭带一致，扭转比的减小有助于提高换热效果。而在上述结论中也发现，在扭转比为Y=1时的综合换热效果要低于Y=2。原因在于，扭带的使用增加了流体在管内的换热时间，同时在扭带附近产生较大的速度激增，对于黏性边界层与传热边界层造成极大破坏，从而提高了传热效果，而扭转比持续减小会对管内流动产生较大的阻力，所以降低了综合传热系数，这个阻力随着雷诺数的增加会进一步加大，这是在工程实际中需要考虑的。

另一方面，WANG[10]等对于带孔扭带进行了研究，结果表明扭带上的孔可以强化换热性能，管内流动温度随孔间距的增大而降低。在进行研究的3种孔形状，圆形、方形和三角形中，圆形孔产生的换热效果最好，在摩擦阻力上，带孔的扭带会产生更大的阻力，随着孔间距的降低而增大。PANELIYA1[13]等考虑了变螺距对于内置扭带管的换热性能影响，如图2所示，对比了3种螺距扭带下换热效果。实验结果表明，变螺距扭带的传热效果要优于等螺距扭带及光管，与光管相比，变螺距扭带的传热速率和总传热系数分别提高了2.58倍和3.39倍。

图2 变螺距扭带

2 纳米流体在内置扭带管中的传热

2.1 纳米流体的概念

纳米流体这一概念自从1998年由CHOI[16]等提出后，受到了众多研究人员的青睐。在换热领域，研究人员把它作为替代水、油等传统工质的新兴换热工质。在搭配内置螺旋扭带管的双重强化换热下，两者结合拥有着不俗的换热性能提升，在两者搭配使用的同时，除了扭带的性能参数需要讨论以外，在搭配纳米流体后更需要进一步研究二者的性能。高浓度纳米流体会带来更大的导热系数的提升，然而与此同时带来的高黏性同样制约着换热效果的提升，所以在一个合理的范围内使用纳米流体是有必要的。

2.2 纳米流体浓度的影响

纳米流体的浓度直接影响换热效果，在现有的针对内置螺旋扭带管搭配纳米流体的研究中，大量研究人员的研究结果表明，提升纳米流体的浓度会获得更好的换热效果。BAHIRAEI[8]等使用了石墨烯纳米片的环保型纳米流体在用扭带强化的管道中进行了研究。可变参数包括转速、扭曲比和纳米颗粒质量分数，并评估了它们的影响。结果表明，随着纳米流体的质量分数从0提升到0.1%，管道内压降提升，整体的换热性能有所提升。

胡旺盛[17]等搭建了实验平台，采用两步法制备了Al2O3-水纳米流体，重点研究了质量分数在1%～3%下的Al2O3-水纳米流体的传热特性，他们的实验结果表明，在雷诺数20 000～65 000的湍流工况下，如果增加纳米流体的浓度，那么就会增强总体的换热效果。而随着雷诺数的增大，这个增强的效果在减弱。此外他们还制备了Al2O3/CuO-水混合纳米流体，相同条件下混合纳米流体的传热性能相对于单纳米流体有所提升，但没有显著优势。

DALKILIÇ[12]实验研究了四通道扭带插入的水平光滑管内Graphite-SiO2/Water混合纳米流体的湍流换热特性。以纯水为基液，使用2种不同的纳米颗粒（60% Siliciumdioxid、40% Graphite）得到混合纳米流体。实验针对2种不同的体积分数，分别为0.5%和1%。四通道扭转带插入件的长度在0～42 cm之间，扭转比恒定为5。雷诺数为3 400～11 000。结果表明，混合纳米流体的努塞尔数随着质量流量和体积分数的增加而增加。此外，摩擦阻力随着体积分数的增加而增加。

2.3 纳米流体其他参数对换热的影响

除了浓度以外，纳米颗粒的属性也对换热过程产生着重要的影响。ZHANG[18]等探究了以空气为基的纳米流体在扭带管中的换热，发现由于布朗扩散的影响，50 nm以下的纳米颗粒的沉积明显多于50 nm以上的纳米颗粒。50～100 nm之间的纳米颗粒的抗污染性差异较小。此外，发现污垢热阻随着Re的增加而减小。林清宇[19]等对纳米颗粒的大小对换热过程所产生的影响作出了相关研究，研究对象为纳米颗粒粒径为 30、40、50、60 nm 的 Al2O3-水基纳米流体。研究结果表明，使用纳米流体可以提高努塞尔数，而随着纳米颗粒粒径的减小，提升效果也随之减弱。另一方面，纳米流体虽然拥有着良好的导热性，但是其在循环过程中表现出不稳定的特性，在一个长期循环过程中极易发生团聚、沉积等问题。这也是制约纳米流体使用的关键性问题，大量的研究人员对于其稳定性进行了研究，采用了分散剂、超声振荡等方法，但依旧不能使纳米颗粒在基液中保持一个长久的悬浮性，而较低浓度的纳米流体在稳定性上要好一些。

3 数值模拟设定及评价标准

3.1 数值模拟设定

数值模拟近些年愈发成熟，其核心就在于将复杂的物理现象转化为可通过计算机求解的数学方程。数值模拟的使用让研究人员节省了大量的实验成本，同时在一些难以控制的条件上可以通过参数化来实现绝对控制，例如绝热条件，实验室中无法达到绝对的绝热环境，而在数值模拟中却可以轻易实现。对于纳米流体在内置扭带管中的流动与传热分析，已有大量的研究人员进行了数值模拟。大多数的研究人员选择了以下设定[20-25]。

1）对于进口，选用速度入口；对于出口，选用压力出口。

2）扭带和管壁都是静止且绝热的。

3）假设纳米流体的物性参数不随着温度发生变化。

4）施加恒定的热通量。

5）对于湍流模型选取RNGk-e模型，使用壁面函数。

3.2 评价标准

扭带的使用提高了努塞尔数，但与此同时也增加了流体流动的阻力。所以用努塞尔数来评价扭带的性能是不准确的，因为在阻力的作用下还会造成能源消耗。因此在这个背景下，研究人员提出了使用PEC性能评价指标来衡量纳米流体在内置扭带管中的强化传热效果。PEC值表示在相同的条件下，泵功下强化换热管与光管传热性能的对比。如果PEC的值比1大，那么就说明该换热装置具有强化传热的效果。而且PEC数值的大小也是传热效果的大小。到目前为止，PEC性能评价指标是认可度最高的方法，其计算公式如式（2）所示。

4 结 论

1）纳米流体和内置扭带管共同作用下的换热效果要优于单独使用。

2）降低扭带的扭转比会提高努塞尔数，但同时会增大摩擦阻力，最佳扭转比在Y=2附近。

3）纳米流体的浓度直接影响换热效果，随着浓度的增大，纳米流体在内置扭带管中的换热效果上升，但是由于纳米流体不稳定的特性，建议在一个较低的浓度下使用。

4）PEC是目前认同最高的评价方法，可以用来评价纳米流体在内置扭带管中的换热性能。