内螺纹换热管温度场研究

The Research on the Temperature Field of the Internal Threaded Heat Exchanger Tubes

摘要: 本文对不同结构参数(如有无螺纹、不同螺距、不同螺旋角、不同螺纹高度等)的内螺纹换热管在不同工况条件(如流体不同进口温度、不同进口速度、不同流体材料等)时的流动传热情况进行数值模拟研究。使用UG软件构建内螺纹换热管的流动传热模型、运用ANSYS软件对所建模型进行网格划分和流动传热过程模拟及后处理分析，研究结论：相同前提下，流体进口温度越大、螺距越小、螺旋角越小、螺纹越高，换热管的换热效果越好；有螺纹比无螺纹时换热管的换热效果好、螺纹比直纹的换热效果要好；本文中低雷诺数、单一热传导方式模拟时，流体进口速度越小，换热效果越好。通过本文研究，加深对内螺纹换热器的流动传热机制的认识，为内螺纹换热器的结构优化及工况设计提供一些参考信息。

Abstract: The situation of the flow heat transfer of the internal thread of the heat exchange tubes with different structural parameters (such as having or no threads, different pitches, different thread angles, different thread heights,etc) and different working conditions (such as different inlet temperature of the fluid, different inlet velocity of the fluid, and different fluid materials, etc) is simulated and researched in this thesis. The flow field models of the internal thread of the heat exchange tubes are constructed by using UG software, the constructed models are meshed, the flow heat transfer process is numerically simulated and the post-processing analysis is done by using ANSYS software. The research conclusions as follows: Under the same premise. The heat transfer effect is better when the inlet temperature of the fluid is higher, or the pitch is smaller, or the thread angle is smaller, or the thread is higher; The heat transfer effect is better when the heat exchange tube has threads than that without thread; The heat transfer effect is better when the heat exchanger tube has thread than that has the straight grain; The heat transfer effect is better when the inlet velocity of the fluid is lower, the simulation is done using a single heat conduction mode with a low Reynolds number in this thesis. The understanding of the flow heat transfer mechanism of the internal thread heat exchanger is deepened, and some reference information is provided for the structure optimization and working condition design of the internal thread heat exchanger through the research in this thesis.

1. 引言

换热管是换热器中的核心元件，在换热器传热强化中起到至关重要的作用[1] [2]。内螺纹换热管是在换热管内壁采用加工工艺使其具有一定旋转螺纹的翅片[3]，具有结构紧凑、换热效率高、成本低廉且流动阻力增加不多等特点，在化工、船舶、制冷工程等领域有着广泛的应用。关于内螺纹换热管的研究很多，上世纪70年代末80年代初，三菱重工等公司在变压操作下充分发挥内螺纹管的换热优势，在超临界反应堆上做试验并研制出世界上第一个采用内螺纹的超临界水冷壁冷却系统[4]-[7]；1994年，陈剑波等人对内螺纹管内纯工质流变换热问题展开研究为内螺纹管内纯工质流变换热问题的推广提供了可靠依据[8]；2004年，李隆键等人在试验中发现三维内螺纹在传热性能方面有很大提高，但其流动阻力也有所增大[9] [10]；2014年，靳遵龙等人利用CFD对螺纹管进行数值模拟得到减小螺距、增大螺纹高度可以显著改善传热效果但会增大流动阻力的结论[11]-[14]；2021年，付江奇等人模拟研究内螺纹管发现高雷诺数条件下的数值运算与ANSYS仿真的结果有很大的偏差，并对常用的计算模型进行了分析[15] [16]；2024年，王彦红等阐明了沿圆周方向上换热恶化及不均匀传热机理，并探究了内螺纹管螺纹数量及压力对换热的影响[17] [18]。这些研究在内螺纹换热管的研究进展中发挥了重要作用，同时也对本文的研究有着重要启示。本文对不同结构参数(如有无螺纹、不同螺距、不同螺旋角、不同螺纹高度等)的内螺纹换热管在不同工况条件(如流体不同进口温度、不同流速、不同流体材料等)时的流动传热情况进行数值模拟研究，为内螺纹换热器的运行工况设计提供一些参考信息。

2. 内螺纹换热管的结构与工作原理

内螺纹换热管是指在管内壁上开一道或多道膛线而形成的螺旋上升的管道，其实物图见图1、剖视图见图2，其工作原理是工质在管内加热时，内部流体在内螺纹换热管离心力的作用下，以较小速度将液体送至管壁进行换热而不会产生过大的冲击。管道内部，内螺纹起到了一个至关重要的作用，内螺纹管中的流体受内螺纹螺旋上升的影响而开始旋转，在离心力的作用下不断地接近并最终到达管壁的表面，完成对壁表面水膜的补充。由于内螺纹凹槽内三个方向粘着力的原因，内螺纹沟槽中的液滴也不容易被气流带走，这种稳定性有助于维持水膜而不会立刻蒸发。同时，内螺纹的存在还在一定程度上提升了管道中的湍流流动，使工质增大了对流换热，从而提高了换热效率，增强换热能力，改善了管壁的冷却效果，延长设备使用寿命，同时降低了能量消耗。

Figure 1. The physical picture of the internal thread heat exchange tube

图1. 内螺纹换热管的实物图

Figure 2. The sectional view of the internal threaded heat exchanger tube

图2. 内螺纹换热管的剖视图

3. 相关模拟知识

本文数值模拟时运用到UG及ANSYS软件，UG软件是基于C语言开发实现的一个在二维和三维空间无结构网格上使用自适应多重网格方法开发的一个灵活的数值求解偏微分方程的软件工具；ANSYS软件是一款有限元分析软件，主要包括前处理模块、分析计算模块和后处理模块三个部分，前处理模块是整个仿真过程的基础，可以快速方便地构造有限元模型，分析计算模块可以进行多物理场的耦合分析，后处理模块可将计算结果以图形、图表或曲线形式显示或输出，通过三模块组合使用可以实现更加精确和高效的数值仿真。本文在做内螺纹换热管换热流场模拟仿真实验时涉及到热量传递等知识，相关方程式如下：

热传导方程傅里叶定律

$\Phi =-\lambda A\frac{\partial t}{\partial x}$ (1)

式(1)中，Φ是热流量，λ是导热系数，A是传热面积，∂t/∂x是物体沿x方向的温度变化率，负号则表示热量的传递方向与温度升高的方向相反。

能量方程：

$\frac{\partial \left(pT\right)}{\partial t}+\frac{\partial \left(p\mu T\right)}{\partial x}+\frac{\partial \left(p\nu T\right)}{\partial y}+\frac{\partial \left(p\omega T\right)}{\partial z}=\frac{\partial }{\partial x}\left(\frac{\lambda }{c_p}\frac{\partial T}{\partial x}\right)+\frac{\partial }{\partial T}\left(\frac{\lambda }{c_p}\frac{\partial T}{\partial y}\right)+\frac{\partial }{\partial z}\left(\frac{\lambda }{c_p}\frac{\partial T}{\partial z}\right)+S_T$ (2)

上式(2)中，p为密度，c_p为质量比定压热容，S_T为热源被转化的热能。

4. 数值模拟

4.1. 模型的构建

以外圆直径为80 mm、内圆直径为50 mm、管程为200 mm、螺纹大径为56 mm、螺距为5 mm、螺旋角度为600的内螺纹换热管几何模型为例介绍模型的构建方法：在UG软件“新建”中设置单位及储存位置进入构建模型界面，构建基准平面，以基准平面原点为圆心设置直径为80 mm可得所需圆如图3所示。

Figure 3. The sketch of the model

图3. 模型草图

进行“拉伸”指令，选中所作圆输入所需构建模型长200 mm得到圆柱体，如图4所示。

Figure 4. The cylinder

图4. 圆柱体

选择坐标系原点为指定点、输入直径50 mm、深度200 mm，设置为“减去”并“运用”，进行螺纹刀指令后选定所作螺纹面，设置大径为56 mm、长度为200 mm、螺距为5 mm及角度为600得到内螺纹管几何模型，如图5所示。

Figure 5. The constructed model

图5. 构建的模型

4.2. 数值模拟

4.2.1. 内螺纹换热管几何模型面的命名与网格划分

(1) 依次将几何结构、网格及Fluent模块分别拖到操作页面，并为三者进行关联处理；(2) 几何结构模块中导入所建模型进行编辑；(3) 进入几何结构模块操作页面，展开部件，将固体换为液体。本文对内螺纹换热管的流动传热情况进行研究，将里面的流体如带螺纹状的水柱作为研究对象；(4) 进行各个面的命名退出几何结构模块。(5) 在网格中进行设置及划分。使用几何结构设置，物理偏好为CFD，求解器偏好为Fluent，单元尺寸根据所建模型大小来进行设置，模型尺寸大或小可根据最后生成的网格数来进行更改；(6) 尺寸调整中进行增长率设置，自行依据设置的单元尺寸进行修改；(7) 膨胀中选择平滑过渡。设置完毕，点击生成网格。网格划分如图6所示。

Figure 6. The mesh analysis chart

图6. 网格解析图

4.2.2. 模拟计算

(1) 进入Fluent模块进行编辑。(2) 模型处打开能量方程，材料选择流体，在Fluent数据库找water-liquid即为液体水，并在单元区域条件的流体应设为water-liquid；(3) inlet设置边界条件，类型选择velocity-inlet并进行进口速度、温度设置。同样的方法为wall设置温度，为outlet选择类型outflow并进行运用；(4) 求解方法选择SIMPLE，在计算监库里设置残差；(5) 进行初始化后为运行设置迭代次数开始计算迭代如图7，图中黑线代表连续性，红、绿、蓝分别代表速度在x、y、z方向上的分量，浅蓝色代表能量。当迭代曲线趋于平稳，并且计算精度达10⁻⁴及以上为仿真技术标准，本文的模拟工作达到了计算精度要求，仿真数据有效。

Figure 7. The calculated iterative graph

图7. 计算迭代图

(6) 在云图处分别新建一个横、纵切面，点击温度就能依次查看到所需要的变化云图，如图8所示。图左边为标尺，颜色往上代表相应数值越大，反之越小。

Figure 8. The cross and longitudinal sectional map of the temperature field

图8. 温度场横纵切面图

5. 模拟结果

5.1. 流体不同进口速度时内螺纹换热管各流场云图对比

取内螺纹换热管管径为30 mm、管程为400 mm、小径为26 mm，流体为水、进口温度为363 K，在其他所有变量都相同的情况下，流体进口速度分别为0.03 m/s和0.08 m/s时所模拟的温度场云图对比见图9。

Figure 9. The temperature contour map at fluid inlet velocities of 0.03 m/s (left) and 0.08 m/s (right)

图9. 流体进口速度为0.03 m/s (左)和0.08 m/s (右)的温度云图

从云图9看出，其它条件相同下，流体进口速度为0.03 m/s比0.08 m/s时的换热效果好，这是由于本次模拟只使用了单一热传导的传热方式，相同前提下，流体速度较小时，流体在换热管中停留的时间较长，换热进行更充分从而换热效果更明显。

5.2. 有、无螺纹换热管的换热流场云图对比

构建管径为30 mm、管程为400 mm的无纹管及内螺纹换热管(螺纹小径26 mm，螺距15 mm，螺旋角600)几何模型，取流体为水，流体进口速度为0.05 m/s、温度为363 K，在其他所有变量都相同时的温度场云图对比见图10。

Figure 10. The temperature contour map of the inner threaded pipe (left) and the plain pipe (right)

图10. 内螺纹管(左)和无纹管(右)的温度云图

从图10可看出，其他条件都相同的情况下，有螺纹比无螺纹时换热管的进出口压降大。

5.3. 不同螺距时的换热流场云图对比

取内螺纹换热管管径为30 mm、管程为400 mm、小径为26 mm，螺距分别为15 mm、30 mm，流体均为水、流体进口温度为363 K、流体进口速度为0.05 m/s，在其它情况都相同的情况下所模拟的温度场云图对比见图11。

Figure 11. The temperature contour map with pitch of 15 mm (left) and 30 mm (right)

图11. 螺距为15 mm (左)、30 mm (右)温度云图

从云图11可看到，在其它条件都相同情况下，换热管螺距为15 mm比螺距为30 mm时的换热效果要好些。

5.4. 不同螺旋角度时换热管的换热流场云图对比

取管径为30 mm、管程为400 mm、小径为26 mm、螺距为15 mm、流体为水、流体进口温度为363 K、流体进口速度为0.05 m/s，螺旋角分别为250和600的内螺纹换热管，在所有变量都相同的情况下所模拟的温度场云图对比见图12。

Figure 12. The temperature contour map with helix angles of 25˚ (left) and 60˚ (right)

图12. 螺旋角为250 (左)、600 (右)的温度云图

从图12可看出，在其它条件相同的情况下，换热管在螺旋角为250比螺旋角为600时的换热效果好一些。

5.5. 不同螺纹高度时的换热流场云图对比

取内螺纹换热管管径为30 mm、管程为400 mm、流体为水、流体进口温度为363 K，在其他所有变量都相同的情况下，螺纹高度分别为2 mm和5 mm时所模拟的温度场云图对比见图13。

Figure 13. The temperature contour map with thread heights of 2 mm (left) and 5 mm (right)

图13. 螺纹高度2 mm (左)、5 mm (右)的温度云图

由云图13可看出，在其它条件相同的情况下，换热管螺纹高度为5 mm比2 mm时的换热效果明显。

5.6. 不同流体材料时的换热流场云图对比

取内螺纹换热管管径为30 mm、管程为400 mm、流体进口速度0.05 m/s、温度为323 K，在其他所有变量都相同的情况下，流体分别为水和乙醇时所模拟的温度场云图对比见图14。

Figure 14. The temperature contour map with water (left) and ethanol (right) as the fluid

图14. 流体为水(左)、乙醇(右)的温度云图

由云图14可看出，在其它条件相同的情况下，换热管在流体为水时要比流体为乙醇时的换热效果好。

5.7. 不同螺纹形状的换热流场云图对比

取内螺纹换热管管径为30 mm、管程为400 mm、流体进口速度为0.05 m/s、温度为363 K，在其他所有变量都相同的情况下控制螺旋纹螺纹圈数和直纹齿数相同(螺旋纹圈数26.7取整27，直纹齿数27)，螺纹形状为螺旋纹和直纹时所模拟的温度场云图对比见图15。

Figure 15. The temperature contour map with helical ribs (left) and straight ribs (right)

图15. 螺旋纹(左)、直纹(右)的温度云图

从图15可看出，在其它条件相同的情况下，螺旋纹比直纹时换热管的换热效果好。

5.8. 不同进口温度时水的换热流场云图对比

取相同的内螺纹换热管几何尺寸，管径为30 mm、管程为400 mm、流体进口速度为0.05 m/s、流体为水，在其他所有变量都相同的情况下，取进口温度为323 K、363 K时所模拟的温度场云图对比见图16。

Figure 16. The temperature field contour map with water inlet temperatures of 323 K (left) and 363 K (right)

图16. 水的进口温度323 K (左)、363 K (右)的温度场云图

从云图16可看出，在其它情况相同的情况下，换热管在流体进口温度为363 K比323 K时的换热效果好。

6. 结果分析

6.1. 流体不同进口速度时的温度场分析

将前面图9流体进口速度分别为0.03 m/s、0.05 m/s和0.08 m/s时换热管温度模拟云图数据整理见表1。

Table 1. The table of the temperature records of the heat exchange tubes at different fluid inlet velocities

表1. 流体不同进口速度时换热管的温度记录表

流体进口速度(m/s)	进口温度(K)	出口温度(K)	进出口温降(K)
0.03	363	328.832	34.168
0.05	363	335.622	27.378
0.08	363	341.652	21.348

从表1数据可看出，其他条件都相同的情况下，流体进口速度为0.03 m/s、0.05 m/s、0.08 m/s时的进出口温降逐渐减小，这是由于本次模拟是在雷诺数较小的情况下，只讨论了单一热传导的传热方式，相同前提下，流体速度越小时，流体在换热管中停留时间越长，换热更充分从而换热效果更明显。

6.2. 有、无螺纹换热管的温度场分析

将前面图10有、无螺纹换热管的温度场云图数据整理见表2。

Table 2. The table of the temperature records of the heat exchange tubes with and without threads

表2. 有、无螺纹时换热管的温度记录表

螺纹类型	进口温度(K)	出口温度(K)	进出口温降(K)
无螺纹	363	349.357	13.643
有螺纹(螺距15 mm)	363	335.622	27.378

从表2数据可看出，其他条件都相同的情况下，有螺纹比无螺纹时换热管的进出口温差大，换热效果更好。这是因为换热管有螺纹时涡流程度增加，流体混乱程度加剧，换热截面增加，换热量增大，所以有螺纹比无螺纹时换热管的换热效果更好。

6.3. 不同螺距内螺纹换热管的温度场分析

将前面图11不同螺距内螺纹换热管的温度云图数据整理见表3。

Table 3. The table of the temperature records of the heat exchange tubes at different thread pitches

表3. 不同螺距时换热管的温度记录表

螺距(mm)	进口温度(K)	出口温度(K)	进出口温降(K)
15	363	335.622	27.378
30	363	336.817	26.183

从表3数据可看出，其他条件都相同的情况下，随着螺距的减小，换热管进出口温度差值是在增大的，体现为换热效果更好。这是由于螺距减小，增加了“凹凸”感即粗糙程度，流体混乱程度加剧，换热面积增加，换热量增大(据公式$\Phi =-\lambda A\frac{\partial t}{\partial x}$ ，其他条件都相同的情况下，面积A增大，换热量Φ越大)，所以螺距小相比螺距大时的换热管换热效果更好。

6.4. 不同螺旋角时的温度场分析

将前面图12不同螺旋角时换热管的换热流场云图数据整理见表4。

Table 4. The table of the temperature records of the heat exchange tubes at different helix angles

表4. 不同螺旋角度时换热管温度情况记录表

螺旋角(0)	进口温度(K)	出口温度(K)	进出口温降(K)
15	363	331.215	31.785
25	363	335.549	27.451
60	363	335.622	27.378

从表4数据可看出，其他条件都相同的情况下，随着螺旋角的减小，换热管进出口温度差值在增大，换热效果越好。这是由于螺旋角越小，螺纹越“锋锐”，流体流道凹凸感越强，流体紊乱程度加剧，换热效果更好。

6.5. 不同螺纹高度时的温度场分析

将前面图13不同螺纹高度时的换热流场云图数据整理见表5。

Table 5. The table of the temperature records of the heat exchange tubes at different thread heights

表5. 不同螺纹高度时换热管的温度情况记录表

螺纹高度(mm)	进口温度(K)	出口温度(K)	进出口温降(K)
2	363	335.622	27.378
5	363	326.262	36.738

从表5数据可看出，在其它条件相同的情况下，螺纹高度为5 mm比2 mm时换热管的进出口温降大，体现为换热效果更好。这是由于螺纹高度增加后流体紊乱程度加剧，换热面积增大，换热能力增强。

6.6. 不同流体材料时的温度场分析

将前面图14不同流体材料时的换热流场云图数据整理见表6。

Table 6. The table of the temperature records of the heat exchange tubes with different fluid materials

表6. 不同流体材料时换热管的温度情况记录表

流体	进口温度(K)	出口温度(K)	进出口温降(K)
水	323	311.424	11.576
乙醇	323	313.572	9.428

从表6数据可看出，在其它条件相同的情况下，流体为水时比流体为乙醇时换热管的进出口温降大，这是由于不同流体的导热系数不同，如进口温度323 K时水和乙醇的导热系数分别为0.668 W/(m·K)和0.156 W/(m·K)，前者较大。由公式$\Phi =-\lambda A\frac{\partial t}{\partial x}$ 可知，前提相同时，导热系数λ越大，换热量Φ越大，换热效果越好。

6.7. 不同螺纹形状时温度场分析

将前面图15螺旋纹和直纹的换热流场云图数据整理见表7。

Table 7. The table of the temperature records of the heat exchange tubes with helical ribs and straight ribs

表7. 螺旋纹和直纹时换热管的温度情况记录表

螺纹形状	进口温度(K)	出口温度(K)	进出口温降(K)
螺旋纹(管径30 mm)	363	335.622	27.378
直纹(管径30 mm)	363	337.866	25.134

从表7数据可看出，在其它条件相同的情况下，换热管在螺旋纹比在直纹时的进出口温度差值大，这是因为螺旋纹时，流体混乱程度增大，从而换热能力增强，所以相对而言，螺旋纹相比直螺纹时换热管的换热效果要好。

6.8. 不同进口温度时的温度场分析

将前面图16水的进口温度分别为323 K和363 K的换热流场云图数据整理见表8。

Table 8. The table of the temperature records of the heat exchange tubes at different inlet temperature of the water

表8. 水的不同进口温度时换热管的情况记录表

进口温度(K)	出口温度(K)	进出口温降(K)
323	311.424	11.576
363	335.622	27.378

从表8数据可看出，在其它条件都相同情况下，流体进口温度越高，换热管的换热效果越好。这是因为据公式$\Phi =-\lambda A\frac{\partial t}{\partial x}$ 知，前提相同时，流体进口温度越大，温度梯度∂t/∂x越大，换热量Φ越大，从而换热效果越好。

7. 结论与展望

本文通过数值模拟得出内螺纹换热管温度场情况是相同前提下，流体进口温度越大、螺距越小、螺旋角越小、螺纹越高，换热管的换热效果越好；有螺纹比无螺纹时换热管的换热效果好、螺纹比直纹的换热效果要好；本文在低雷诺数、单一热传导方式模拟时，流体进口速度越小，换热效果越好。本文运用UG软件和ANSYS软件对内螺纹换热管在不同结构参数和不同工况下的换热流场进行数值模拟研究，得出了一些内螺纹换热管的优化建议，但仍有许多不足之处需要进行改进：(1) 本文只是对流体模型进行模拟研究，未考虑流固耦合情况，希望今后能在流固耦合情况下对内螺纹管换热情况进行研究；(2) 本文只对单类螺纹的内螺纹换热管进行模拟研究，希望接下来能对多类螺纹的内螺纹换热管的换热流场进行研究；(3) 本文在对内螺纹换热管换热流场进行模拟研究时由于雷诺数较低主要考虑了单一传热方式，未考虑多种传热方式同时发生的情况，故所得结论有局限性，希望在接下来的工作中能用多种换热方式对内螺纹管的换热情况进行深入研究。

基金项目

2022年贵州省省级“金课”(热学线下课程，GSylkc202209)，六盘水师范学院一流课程热学课程建设项目(LPSSYylkc202105)，教育部高等学校物理学类专业教学指导委员会项目(JZW-25-RX-13)，《热学》六盘水师范学院校级课程思政示范课程(2023-06-002)，六盘水师范学院校级项目《面向应用型创新人才培养的《工程力学》课程教学内容改革与实践》项目(2022-07-029)，六盘水师范学院校级项目《“大思政”视域下工程力学课程教学探讨》(2024-08-003)，贵州省科学技术协会青年科技人才托举工程项目(编号：GASTYESS202424)，六盘水科技发展自筹经费项目(编号：52020-2025-0-2-05)。

NOTES

^*通讯作者。