换热器中Y形扭曲插件的数值研究：该插件具有梯形穿孔结构

《Heat Transfer》：Numerical Investigation for Y-Shaped Twisted Inserts With Trapezoidal Perforations in Heat Exchangers

Y型扭曲插管与梯形孔协同增强圆管热交换效率，CFD模拟显示优化设计（扭曲比7，30孔）使努塞尔数达197.673，较平管提升258%，热性能因子3.863，摩擦系数降至0.016，验证低雷诺数下高效节能潜力。

　　

摘要

本研究介绍了一种新型的Y形扭曲插入件，该插入件具有梯形穿孔结构。通过数值模拟研究了装有Y形插入件的圆形管道的热水力性能，旨在提高圆形换热器管道的传热效率。模拟采用了Ansys 2022-R2软件中的计算流体动力学（CFD）方法（有限体积法，k–ε湍流模型）。研究分析了五种几何结构方案（A、B、C、D和E），这些方案包括不同扭曲比的Y形条带（扭曲比为2或7）以及梯形穿孔。在恒定热流密度（1000?W/m2）的条件下，以空气作为工作流体，研究了雷诺数（Re）范围（3000–21,000）内的性能变化。结果表明，采用Y形插入件可显著提升传热效率：其中方案E（Y形条带扭曲比为7，具有30个梯形穿孔）在雷诺数Re?=?21,000时达到了最高的努塞尔数（Nu?=?197.673），比普通管道（Nu?=?55.23）提高了258%。热性能系数（TPF）在Re?=?3000时达到最大值3.863（方案E），表明在较低雷诺数下该方案的效率更优。同时，流动阻力也有所降低，方案E的摩擦系数最低（f?=?0.016，Re?=?21,000）。Y形几何结构和穿孔的协同效应增强了湍流、流体速度以及热量散发。这些发现凸显了具有优化扭曲比和穿孔结构的Y形插入件在提升被动热性能的同时减少水力损失方面的有效性，使方案E成为一种适用于节能换热系统的理想配置。研究结果与以往关于Y形插入件的研究高度一致，进一步验证了这些发现的可信度，反映了该领域内的科学共识。