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2026 , Vol. 53 >Issue 2: 43 - 51

DOI: https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2026.02.005

化学与化学工程

脉动流作用下凹坑螺旋管传热增强特性

  • 李雅侠 ,
  • 李百慧 ,
  • 李诗航 ,
  • 张静 ,
  • 王林
展开
  • 沈阳化工大学 机械与动力工程学院，沈阳 　110142
E-mail：

女，1977年生，博士，教授

收稿日期: 2025-09-29

  网络出版日期: 2026-04-14

基金资助

国家自然科学基金(51506133)

辽宁省教育厅一般项目(LJ2020037)

收起

Enhancement of the heat transfer characteristics in a helical tube with dimples under the action of a pulsating flow

  • YaXia LI ,
  • BaiHui LI ,
  • ShiHang LI ,
  • Jing ZHANG ,
  • Lin WANG
Expand
  • School of Mechanical and Power Engineering，Shenyang University of Chemical Technology，Shenyang 110142，China

Received date: 2025-09-29

  Online published: 2026-04-14

Fold

摘要

采用脉动流与凹坑壁面结构相结合的方法强化螺旋管的传热性能。首先通过数值模拟研究了雷诺数Re = 7 000~11 000范围内凹坑的布置参数对螺旋管内流体稳态传热特性的影响，然后分析了脉动流结合凹坑结构对螺旋管的复合强化传热效果，并揭示了强化传热机理。结果表明：在稳态下，沿流向与沿周向的轴长之比a/b>1的凹坑结构的综合传热效果优于a/b ≤ 1的凹坑结构；周向布置数量n = 3、螺旋间距角φ = π/3的凹坑布置方式的综合强化传热效果最佳；脉动流的加入进一步提升了凹坑附近流体的湍流强度，改善了速度与温度场的协同性，脉动周期内1/2以上时间的平均努塞尔数Nu高于稳态值；在研究范围内，无量纲脉动振幅A = 0.25、无量纲频率Wo=13.26时，螺旋管的综合强化传热效果最佳，综合强化传热因子（PEC）为1.051 ~ 1.079；Re = 7 000时凹坑结合脉动流的PEC值相比单一脉动流提升了1.35%~2.08%，相比单一凹坑结构提升了2.19% ~ 4.76%。

关键词： 螺旋管; 凹坑结构; 脉动流动; 强化传热

本文引用格式

李雅侠 , 李百慧 , 李诗航 , 张静 , 王林 . 脉动流作用下凹坑螺旋管传热增强特性[J]. 北京化工大学学报（自然科学版）, 2026 , 53(2) : 43 -51 . DOI: 10.13543/j.bhxbzr.2026.02.005

Abstract

The heat transfer performance of a spiral tube is enhanced by combining pulsating flow with a dimpled wall structure. Firstly， the influence of the layout parameters of the dimples on the steady-state heat transfer characteristics of the fluid in the spiral tube， over the Reynolds number range 7 000 to 11 000， was studied through numerical simulation. Then， the combined heat transfer enhancement effect of pulsating flow combined with the dimpled structure on the spiral tube was analyzed， and the mechanism of enhanced heat transfer was postulated. The results show that， under steady-state conditions， the overall heat transfer performance along both the flow direction and the circumferential direction of the dimpled structure with an aspect ratio of a/b>1 is superior to that of the dimpled structure with a/b≤1. The comprehensive heat transfer enhancement effect reaches a maximum when the circumferential layout quantity n=3 and the helical spacing angle φ=π/3. The addition of pulsating flow further enhances the turbulence intensity of the fluid near the dimples， improves the coordination between the velocity and temperature fields， and， during more than half of the pulsation period， the average Nusselt number Nu is higher than the steady-state value. Within the scope of the study， the comprehensive enhanced heat transfer effect of the helical tube is optimized when the dimensionless pulsation amplitude A is 0.25 and the dimensionless frequency Wo is 13.26， with the values of the performance evaluation criterion （PEC） in the range 1.051 to 1.079. When Re=7 000， the PEC value of the dimpled structure combined with pulsating flow increased by 1.35%-2.08% compared to the value for a single pulsating flow， and by 2.19%-4.76% compared to the value for a single dimpled structure.

Key words： helical tube; dimpled structure; pulsating flow; enhanced heat transfer

引言

面对全球能源挑战及“双碳”目标，提升换热器效率是实现工业节能降耗的关键途径之一。螺旋管式换热器凭借结构紧凑、换热效率高的优势已被广泛应用于化工、动力、航空航天等领域，螺旋管作为换热器的核心传热元件，其传热性能的优劣直接决定换热器的整体性能［1］。
当前各类强化传热技术已被广泛应用于螺旋管道以进一步提升其传热性能［2-3］，其中壁面结构改进是一种有效手段［4］。研究表明，在换热壁面设置凹坑结构兼具加工简单和流动阻力增加较小的优点，在强化传热领域受到广泛关注［5-6］。将凹坑结构应用于螺旋管不仅扩大了传热面积，而且有利于增强对流体的扰动，破坏传热边界层，从而实现传热强化。Zheng等［7］采用数值模拟方法，以水为工作介质研究了凹坑螺旋管的传热与流动特性，结果表明，在雷诺数Re=500 ~ 6 000范围内凹坑螺旋管换热壁面的平均努塞尔数Nu为光滑螺旋管道的1.788~2.281倍，综合强化传热因子（PEC）为1.830 ~1.437。Kim等［8］对比研究了具有不同凹坑排布方式的螺旋盘管冷凝器壳程和管程的传热性能，发现交错布置的凹坑的强化传热效果最佳。Solanki等［9］以制冷剂R⁃600a为工作介质研究了凹坑螺旋管内冷凝传热特性，发现在相同条件下凹坑螺旋管内的冷凝传热系数相比光滑螺旋管提高了32% ~ 48%。Wu等［10］采用数值模拟方法研究了Re = 1 000~5 000范围内恒热流密度条件下凹坑螺旋通道内的流体流动及对流传热特性，研究中螺旋通道参数及凹坑结构参数均为确定值，结果表明凹坑螺旋管的换热系数相比光滑螺旋通道提高了11.58% ~ 44.73%，压降提高了33.56% ~ 119.27%。
近年来，各类复合强化传热技术不断被提出，研究表明换热壁面结构改进结合脉动流是一种高效的复合强化手段，其强化效果的提升同时受壁面结构参数和脉动流参数的影响［11-12］。丁耀东等［13］对比分析了脉动流作用下3类波纹壁面直通道的传热特性，结果表明贝塞尔型通道的综合性能最佳，经优化后其综合性能评价指标提升了38.7%。章颢缤等［14］以水为工作介质研究了三角槽道内的层流脉动流动与传热规律，发现在最优脉动频率下传热效率相比稳态层流提升了40%以上。Huang等［15］采用数值模拟与实验方法研究了不同长度沟槽的通道内层流脉动流的传热和阻力特性，发现槽道的相对长度为1.6时，传热效率改善率可达4.74%。此外，在脉动流结合壁面结构改进的强化机理研究方面，Zhou等［16］和Zontul等［17］分别采用数值模拟和实验方法分析了脉动流与矩形沟槽结合的强化传热特性，均认为脉动条件下沟槽通道呈现的周期性涡旋特性增强了流体的湍流动能，从而提高了传热效率。在本课题组的研究中，将脉动流与波节结构结合应用于螺旋通道，发现脉动流能够有效减小壁面波节处的流动“死区”，从而显著强化传热［18-19］。
目前，采用凹坑结构强化螺旋通道传热的研究主要集中在低雷诺数下的换热工况，而对于高雷诺数下的强化传热效果以及凹坑布置参数影响的研究略显不足。Bagheri等［20］指出将脉动流动与凹坑结构结合可有效提升直壁面的传热速率，然而将此复合强化技术应用于螺旋通道的研究尚未见报道。鉴于此，本研究在螺旋管结构参数确定的条件下分析了凹坑布置参数对管内稳态湍流换热强化效果的影响，然后在最佳凹坑布置参数的基础上研究了脉动流作用下凹坑螺旋管道的传热增强特性，研究结果可为螺旋管与脉动流技术在强化传热领域的发展提供理论支撑。

1 物理模型

图1为凹坑螺旋管的物理模型及凹坑布置方式。图1（a）中，设定螺旋管圈数为4（螺旋升角θ = 0°~1 440°）以获得充分发展的流场，螺旋直径D = 218 mm，螺距P = 40 mm，管道直径d = 7.5 mm。在螺旋管的外表面沿螺旋线方向间断布置凹坑排，凹坑在管内侧形成凸起，如图1（b）所示。在θ位置下沿管壁周向布置n个凹坑，相邻凹坑排的螺旋切向间距角度为φ。有研究表明，螺旋管内侧壁面是换热的薄弱部位［21］，因此本研究在各工况下均在内侧壁面处设置凹坑结构。
图1 凹坑螺旋管的物理模型及凹坑布置方式

Fig. 1 Physical model of the dimpled spiral pipe and the layout of the dimples

凹坑与螺旋管壁面相交形成椭圆底面，为了分析凹坑形状对流动和传热性能的影响，定义椭圆面上沿螺旋管流动方向的轴长为a，圆周方向的轴长为b，凹坑深度为h，当a = b = h时，凹坑形状为半球形。定义无量纲凹坑深度h' = h/d，椭圆底面的无量纲流向轴长a' = a/d，无量纲周向轴长b' = b/d。凹坑布置参数如表1所示。本研究基于相同凹坑深度和底面积，探究凹坑布置参数（轴长比a/b、凹坑周向布置数量n和螺旋切向布置间距角度φ）对流动和换热的影响。
表1 凹坑布置参数

Table 1 Layout parameters of the dimples

参数 数值
周向布置数量n 2、3、4、5、6
相邻排间距角度φ π/6、π/3、π/2、2π/3
无量纲凹坑深度h' 0.16
无量纲椭圆底面流向轴长a' 0.27、0.32、0.38
无量纲椭圆底面周向轴长b' 0.38、0.32、0.27
轴长比a/b 0.69、1、1.44

2 数值模拟

2.1 控制方程

以不可压缩流体水为工作介质，其在螺旋管内的三维非定常流动和传热过程满足如下方程［22］。
∇ · v = 0
ρ ∂ v ∂ t + ρ v · ∇ v = - ∇ p + μ + μ t ∇ 2 v
ρ ∂ T ∂ t + ρ c p v · ∇ T = ∇ · λ ∇ T
式中：ρ为流体密度，kg/m3； v 为流体速度，m/s；p为压力，Pa；μ为流体动力黏度，kg/（m·s）；μ t为湍流黏度，kg/（m·s）；T为流体温度，K；cp 为流体比热容，J/（kg·K）；λ为导热系数，W/（m·K）。

2.2 边界条件及模拟方法

采用ANSYS Fluent软件，基于Realizable k-ε（k和ε分别表示湍动能和湍流耗散率）湍流模型对凹坑螺旋管内流体流动和传热进行数值模拟，对近壁面处采用可扩展壁面函数法进行处理。边界条件设置如下：入口采用周期性脉动速度和均匀温度入口，入口温度T in = 298 K，入口速度 v in按照式（4）输入，其波形如图2所示；出口采用压力出口边界条件，出口压力设置为0；螺旋管道壁面及凹坑壁面设置为无滑移壁面，且恒定壁温T w = 353 K。
v i n = v m + Δ v s i n 2 π t Γ
式中： v m和Δ v 分别为脉动周期内流体平均流速和脉动速度振幅，m/s；t和Г分别为脉动时间和脉动周期，s。
图2 入口脉动速度波形

Fig. 2 Pulsating velocity waveform at the entrance

定义脉动流入口的平均雷诺数Re为
R e = ρ v m d μ
本研究中Re取值为7 000 ~ 11 000，对应的 v m取值为0.94 ~ 1.47 m/s，Δ v 取值为0.125 ~ 0.75 v m。
在模拟计算过程中，考虑了温度对水的热物性参数的影响，物性参数中密度ρ、动力黏度μ及导热系数λ按照式（6）~（8） ［23］输入。
ρ = - 3.570 × 10 - 3 T 2 + 1.88 T + 753.2
μ = 2.591 × 10 - 5 × 10 238.3 T - 143.2
λ = - 8.354 × 10 - 6 T 2 + 6.53 × 10 - 3 T - 0.598   1
数值模拟中，压力与速度解耦采用SIMPLEC算法，动量和能量等方程的离散均采用二阶迎风格式。模拟计算中，所有方程的收敛残差均设置为10-6以下。脉动条件下，同时监测进口压差与出口温度，当连续多个周期内的波动幅度小于0.1%时，认为流动与换热已达到周期性收敛。

2.3 参数定义

本研究中，用于评价强化传热效果的相关参数包括换热壁面平均努塞尔数Nu和流动阻力系数f，其定义如下。
N u = h d λ
f = 2 d Δ p ρ v m 2 L
式中：h为平均对流换热系数，W/（m²·K）；∆p为进出口平均压降，Pa；L为螺旋管道长度，m。脉动条件下h和∆p分别按照式（11）和（12）计算。
h = 1 t ∫ 0 t q d t 1 t ∫ 0 t ( T w - T f ) d t
Δ p = 1 t ∫ 0 t Δ p d t
式中：q为壁面热流密度，W/m²；T f为截面流体平均温度，K。
为了进一步分析凹坑螺旋管与脉动流结合对螺旋管整体传热性能的影响，采用综合强化传热因子进行分析，其定义如下。
C P E C = N u N u 0 ⋅ f f 0 - 1 / 3
式中： C P E C为综合强化传热因子，Nu 0和f 0分别为光滑螺旋管稳态条件下的平均努塞尔数和阻力系数，Nu和f分别为凹坑螺旋管的平均努塞尔数和阻力系数。
用于表征脉动流特征的无量纲振幅A和无量纲频率Wo的定义如下。
A = Δ v v m
W o = d 2 2 π 1 / Γ υ
式中：υ为流体运动黏度，m²/s。
无量纲时间τ的定义如下。
τ = t Γ

2.4 网格及时间步长独立性验证

采用Gambit软件进行计算域的网格划分，考虑到凹坑螺旋管模型结构的复杂性，采用分块划分网格。非凹坑区域采用结构化网格，周向与流向的基础网格尺寸为0.6 mm；凹坑附近区域采用非结构网格，网格尺寸为0.2 mm。近壁区设置第一层网格高度为0.02 mm，增长率为1.2。
为了保证计算精度，对网格独立性及时间步长独立性进行验证。表2给出了Re = 7 000，n = 3，φ = π/3，a/b = 1.44，A = 0.5，Wo = 13.26的条件下，基于不同网格数量计算得到的脉动流状态下椭圆凹坑螺旋管的Nu值和f值，可以看出约333万的网格可满足计算精度的要求。图3为时间步长独立性验证结果，可以看出，时间步长为Γ/100和Γ/200时对流换热系数h的变化曲线基本一致，因此本研究选取时间步长为Γ/100。
表2 网格独立性验证

Table 2 Grid independence verification

网格数量/105 Nu Nu偏差a）/% f f偏差a）/%
16.8 43.73 0.037 88
24.4 44.24 1.15 0.037 68 0.53
33.3 44.42 0.41 0.037 62 0.16
41.6 44.45 0.07 0.037 60 0.06

a—相对于网格数量168万的偏差。

图3 时间步长独立性验证

Fig. 3 Time step independence verification

2.5 模型准确性验证

为了验证数值模拟结果的准确性，将本研究的模拟结果与文献［24］的正弦波脉动流在光滑螺旋管内流动与传热的研究结果进行对比，螺旋管的结构参数（d = 3 mm、D = 103 mm、P = 22 mm）、脉动流参数均与文献一致。图4（a）给出了努塞尔数Nu和摩擦阻力系数f的对比结果，Nu和f的最大偏差分别为3.97%和4.86%，验证了本研究中脉动流数值模拟结果的可靠性。此外，将本研究的模拟结果与文献［10］的凹坑螺旋管稳态传热的数值模拟结果进行对比，结果如图4（b）所示。Nu和f的最大偏差分别为3.35%和3.31%，也验证了本研究的湍流模型和模拟方法对凹坑螺旋管模拟的准确性。
图4 数值模拟结果验证

Fig. 4 Verification of numerical simulation results

3 结果与讨论

3.1 凹坑布置参数对稳态湍流传热特性的影响

3.1.1 轴长比a/b

图5展示了稳态换热条件下椭圆底面轴长比a/b对凹坑螺旋管传热性能的影响。从图5（a）中可以看出，在相同Re下凹坑螺旋管的Nu相比光滑螺旋管有明显提高，同时f也明显增大。对于凹坑螺旋管，a/b = 0.69的Nu值相比a/b = 1和a/b = 1.44的Nu值略有提升，但相应的f值却显著增大，说明a/b值对f的影响相比对Nu的影响更为显著。从图5（b）中可以看出，a/b = 1.44的凹坑螺旋管的C PEC值最大，强化传热效果最佳，在研究范围内其C PEC值均大于1，而a/b = 1的结构强化效果次之，a/b<1的结构强化效果最差。结果表明：椭球形凹坑在综合传热性能上优于球形凹坑结构；椭圆底面积相同时，a/b>1的综合强化传热效果相比a/b<1更佳。
图5 a/b值对稳态强化换热特性的影响

Fig. 5 Effect of the aspect ratio a/b on steady⁃state enhanced heat transfer characteristics

3.1.2 n值和φ值

在确定了最佳凹坑形状（a/b = 1.44）的基础上，进一步分析周向凹坑布置数量n和相邻凹坑排的螺旋间距角度φ对换热性能的影响。
图6（a）为Re = 7 000时n值对Nu和f的影响。可以看出，f和Nu均随n的增加而增大，但n增加至一定值后Nu的增幅逐渐减小，而f的增幅依然显著。从图6（b）的C PEC变化曲线可以看出，当Re一定时，n = 3的C PEC值最大，综合强化传热性能最佳。值得注意的是，当n > 4且Re ≥ 9 000时，C PEC均小于1，表明此类工况下传热效果的提升不足以弥补阻力增加的代价，此时凹坑结构反而劣于光滑管道。此外，当n一定时，C PEC随着Re值的增大而减小，这也验证了凹坑结构在低Re值条件下具有更佳的综合强化传热表现［10］。
图6 n值对稳态强化换热特性的影响

Fig. 6 Effect of parameter n on the steady⁃state enhanced heat transfer characteristics

在n = 3的工况下，分析了φ值对强化传热性能的影响，结果见图7。由图7（a）可见，f和Nu均随φ值的增大而减小，原因在于φ值增大后，长度确定的螺旋管上凹坑布置数量减少，这不仅限制了传热面的扩展，同时也削弱了凹坑结构对流体的连续扰动。从图7（b）中可以发现：当Re一定时，φ = π/3的C PEC值最大；当φ一定时，C PEC随着Re的增加而减小。结果表明，在研究范围内，n = 3且φ = π/3的凹坑布置方式能够获得最佳的综合强化传热效果，Re = 7 000时C PEC为1.016 ~ 1.030。
图7 φ值对稳态强化换热特性的影响

Fig. 7 Effect of parameter φ on the steady⁃state enhanced heat transfer characteristics

3.2 脉动流作用下凹坑螺旋管的传热特性

基于前述稳态条件下获得的最佳凹坑布置参数（a/b = 1.44，n = 3，φ = π/3），研究脉动流对凹坑螺旋管的传热提升作用。所考察的脉动参数主要包括无量纲振幅（A = 0.125 ~ 0.75）和无量纲频率（Wo = 9 ~ 21，对应频率为1 ~ 5 Hz）。
图8（a）展示了Re = 7 000下A和Wo对Nu和f的影响。可以看出，当Wo一定时，Nu和f均随A的增加而增大，这是由于流体扰动增强使得传热效率提升，但同时流动阻力增大。当A一定时，Nu随着Wo的增加呈现先增大后减小的趋势，在Wo = 13.26时Nu达到最大值，即存在Wo值使传热效率最大。在研究范围内，当Re = 7 000时，与无脉动流的凹坑螺旋管相比，有脉动流的凹坑螺旋管（Wo = 13.26）的Nu增加了3.17% ~ 12.04%，f增加了1.03% ~ 39.89%；与光滑螺旋管相比，Nu增加了6.16% ~ 17.84%，f增加了6.3% ~ 48.74%。图8（b）展示了脉动流作用下C PEC的变化曲线。可以看出，对于凹坑复合脉动流，在研究范围内存在最佳脉动振幅A = 0.25及最佳脉动频率Wo = 13.26，使综合强化传热效果最大，此时C PEC值为1.051 ~ 1.079。同时，图8（b）给出了最佳脉动参数下单一脉动流强化光滑螺旋管的C PEC值（1.037~1.057）。计算结果表明，当Re = 7 000时凹坑结合脉动流的C PEC值相比单一脉动流（光滑管脉动流）提升了1.35% ~ 2.08%，相比单一凹坑螺旋管提升了2.19% ~ 4.76%。
图8 振幅A和频率Wo对流动和换热的影响

Fig. 8 Effect of amplitude A and frequency Wo on the flow and heat transfer

为了深入分析脉动流对凹坑螺旋管的强化传热作用，图9展示了周期性充分发展段的凹坑中心处横截面（θ = 1 080°）的壁面局部努塞尔数Nu local沿圆周方向的分布曲线。可以看出，稳态条件下光滑螺旋管内侧壁面处的Nu local值最低，加入凹坑结构后壁面各点的Nu local值均有所提升，且凹坑处的Nu local值提升更为显著。在研究范围内，与光滑螺旋通道相比，凹坑螺旋管的Nu local值最大提升了80.57%。对比脉动周期内3个时刻的Nu local分布曲线可见，τ = 1/4和τ = 1/2时刻的Nu local值相比稳态凹坑螺旋管均进一步提升。τ = 1/4时，内侧壁面处的Nu local值提高幅值最大，相较光滑螺旋管的稳态值提升了126.82%，相较凹坑螺旋管的稳态值提升了25.61%。τ = 3/4时刻的流量低于稳态值，因此Nu local值略低于稳态凹坑螺旋管，但相比相同平均流量的光滑螺旋管，凹坑处的Nu local值仍提升明显，可见脉动流进一步提高了凹坑结构的强化效果。
图9 横截面圆周方向的局部努塞尔数Nu local分布（Re = 7 000，A = 0.5，Wo = 13.26）

Fig. 9 Distribution of local Nusselt number Nu local in the circumferential direction of the cross⁃section （Re = 7 000，A = 0.5，Wo = 13.26）

图10给出了θ = 1 080°处换热壁面上Nu local的平均值Nu local，m在单个脉动周期内的变化曲线。可以发现，脉动周期内超过1/2时间的Nu local，m值相比稳态值（基于 v m计算）均有所增加，最大增幅为55.02%；而仅有不到1/2周期的Nu local，m值相比稳态值有所降低，最大降幅为33.12%。值得注意的是，脉动周期内最大流量时刻（τ = 1/4）和最小流量时刻（τ = 3/4）的Nu local，m值均高于相应流量下的稳态值，可见脉动流能够有效提升凹坑螺旋管的传热性能。
图10 脉动周期内Nu local，m的变化（Re = 7 000，A = 0.5，Wo = 13.26）

Fig. 10 Variation of Nu local，m in a pulsation period （Re = 7 000，A = 0.5，Wo = 13.26）

3.3 复合强化传热机理分析

为了揭示脉动流强化凹坑螺旋管传热的机理，结合流体湍动能和场协同原理进行分析。图11和图12分别给出了凹坑中心处横截面（θ = 1 080°）内流体湍动能k和局部场协同角β的变化，其中β按照式（17） ［25］计算。
β = a r c c o s U ⋅ ∇ T | U | | ∇ T |
式中： U 为横截面内二次流矢量，∇T为横截面内温度梯度。
图11 脉动周期内湍动能的变化（Re = 7 000，A = 0.5，Wo = 13.26）

Fig. 11 Variation of turbulent kinetic energy in a pulsation period （Re = 7 000，A = 0.5，Wo = 13.26）

图12 脉动周期内场协同角的变化（Re = 7 000，A = 0.5，Wo = 13.26）

Fig. 12 Variation of field synergy angle in a pulsation period （Re = 7 000，A = 0.5，Wo = 13.26）

对比图10、图11和图12中各变量在脉动周期内的变化曲线可以发现，Nu local，m值较高时段，所对应的截面平均湍动能k m均显著高于稳态值，同时截面平均场协同角β m普遍低于相应的稳态值。这主要归因于脉动流显著增强了流体的湍动能力，促进了壁面流体和主流的混合，同时改善了速度场与温度场的协同性，两者共同作用使得螺旋管的整体传热性能得到提升。进一步对比图10~12中的云图可以发现，脉动条件下凹坑局域附近的Nu local和k值相比稳态值均有明显提高，特别是凹坑迎流侧附近的Nu local和k值提升尤为显著，而对应凹坑中心截面内的场协同角β相比稳态值有明显减小。上述结果说明在脉动流作用下凹坑结构的强化传热效果得到进一步提升。

4 结论

采用数值模拟方法研究了脉动流对凹坑螺旋管的传热增强特性，获得稳态下凹坑的最佳形状和布置参数，进而分析了脉动流参数对强化传热效果的影响，揭示了强化传热机理，得到以下结论。
（1）稳态条件下，周向均布数量n = 3、螺旋间距角φ = π/3且沿流向和沿周向的轴长之比a/b>1的凹坑布置方式对螺旋管的综合强化效果最佳。
（2）脉动流进一步提升了凹坑螺旋管的传热性能。在A = 0.25、Wo = 13.26下综合强化传热效果最佳，C PEC为1.051 ~ 1.079；Re = 7 000时凹坑结合脉动流的C PEC相比单一脉动流提升了1.35% ~ 2.08%，相比单一凹坑结构提升了2.19% ~ 4.76%。
（3）脉动流强化凹坑螺旋管传热的机制在于，在脉动周期的大部分时间内流体的湍动能得到提升，同时速度场与温度场的协同性得到进一步改善。

参考文献

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