流体机械

项目	20#钢	铝制扭带	水	Al₂O₃
密度ρ/(kg·m^-3)	7 850	2 719	998.2	3 650
导热系数λ/(W·m^-1⋅℃^-1)	51.08	202.4	0.6	40
定压比热容c_p/(J·kg^-1⋅℃^-1)	469	871	4 182	765
动力黏度μ/(Pa·s)	—	—	0.001	—

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定压比热容c_p/(J·kg^-1⋅℃^-1)	469	871	4 182	765
动力黏度μ/(Pa·s)	—	—	0.001	—

内插扭带换热管中纳米流体的传热性能研究

吴育新 ¹ , 罗海涛 ² , 周立群 ²

流体机械 | 设计计算 2025,53(5): 73-79

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流体机械 |设计计算 2025 , 53 (5) : 73 -79

内插扭带换热管中纳米流体的传热性能研究

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吴育新（1970），男，高级工程师，研究方向为化工装备技术，E-mail：wuyuxin@petrochina.com.cn。

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吴育新¹, 罗海涛², 周立群²

作者信息

¹中国石油兰州石化公司，兰州 730060

²兰州理工大学石油化工学院，兰州 730050

通讯作者:

周立群（1990），男，博士，副教授，研究方向为传热过程强化，通信地址：730050甘肃省兰州市七里河区彭家坪36号兰州理工大学石油化工学院，E-mail：zhoulq@lut.edu.cn。

作者简介:

吴育新（1970），男，高级工程师，研究方向为化工装备技术，E-mail：wuyuxin@petrochina.com.cn。

Heat transfer performance of nanofluids in heat exchange tubes with internally inserted twisted tapes

Yuxin WU¹, Haitao LUO², Liqun ZHOU²

Affiliations

¹PetroChina Lanzhou Petrochemical Company，Lanzhou 730060，China

²College of Petrochemical Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China

出版时间: 2025-05-30 doi: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.05.010

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摘要

收起

为提高换热器传热效率，提出螺旋扭带与纳米流体协同强化传热的方法，研究了复合强化方案的传热性能。以Al₂O₃‑H₂O纳米流体为工质，基于经典纳米流体热物性模型计算密度、比热容、黏度及导热系数等参数。通过计算流体力学（CFD）方法建立三维数值模型，模拟内插扭带换热管的流动与传热特性，并采用文献试验数据验证模型可靠性（最大相对误差为10.9%）。对比分析表明：相较于纯水-光管基准组，纳米流体-螺旋扭带管复合方案使表面传热系数提升35.18%，但压降增加576 Pa。研究揭示纳米颗粒体积分数与质量流量的耦合影响规律：纳米颗粒体积分数从0.5%增至4%时，努塞尔数（Nu）从57.1降至51.5，归因于黏度激增削弱对流效应；质量流量从0.1 kg/s增至0.4 kg/s时，螺旋扭带管较光管的Nu值增益从4.3%扩大至11.7%，验证了高流量工况下二次流与纳米颗粒热输运的协同机制。研究成果可为高效换热器设计提供理论支撑。

关键词

扭带 / 传热强化 / 纳米流体 / 数值模拟

Abstract

收起

To enhance the heat transfer efficiency of heat exchangers，a synergistic method combining helical twisted tapes with nanofluids is proposed，and the thermal performance of this composite enhancement approach is investigated.Using Al₂O₃‑H₂O nanofluid as the working medium，key thermophysical properties （density，specific heat，viscosity，and thermal conductivity） are calculated based on classical nanofluid models.A 3D numerical model is established via computational fluid dynamics （CFD） to simulate flow and heat transfer characteristics in heat exchange tubes with inserted twisted tapes，validated against experimental data from literature （maximum relative error：10.9%）.Comparative analysis shows that the composite nanofluid‑twisted tape configuration increases the surface heat transfer coefficient by 35.18% compared to the plain tube with pure water，albeit with a 576 Pa pressure drop increase.The study reveals coupling effects of nanoparticle volume fraction and mass flow rate：as the volume fraction rises from 0.5% to 4%，the Nusselt number （Nu） decreases from 57.1 to 51.5 due to viscosity‑induced convection suppression.When mass flow increases from 0.1 kg/s to 0.4 kg/s，the Nu number enhancement of twisted tape tubes over plain tubes expands from 4.3% to 11.7%，demonstrating synergistic mechanisms between secondary flow and nanoparticle thermal transport under high‑flow conditions.These findings provide theoretical support for designing high‑efficiency heat exchangers.

Key words

twisted tape / heat transfer enhancement / nanofluid / numerical simulation

引用本文

吴育新, 罗海涛, 周立群. 内插扭带换热管中纳米流体的传热性能研究. 流体机械, 2025 , 53 (5) : 73 -79 . DOI: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.05.010

Yuxin WU, Haitao LUO, Liqun ZHOU. Heat transfer performance of nanofluids in heat exchange tubes with internally inserted twisted tapes[J]. Fluid Machinery, 2025 , 53 (5) : 73 -79 . DOI: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.05.010

正文

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0　引言

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换热器广泛应用于化工、食品和暖通等领域，是工业中实现能量交换的核心设备^［1-3］。因此，有效提高换热器的传热效率对减少能源消耗和降低碳排放量至关重要。传热强化方法分为主动式和被动式：主动式方法主要包括喷射撞击、机械辅助和外加源场等，但因需额外消耗能量、设计复杂且制造/安装成本高，应用非常有限；被动式方法则利用系统内部能量，通过改变工作流体的流动模式或使用导热系数更高的工作流体来提高传热性能^［4］。其中，使用扭带和纳米流体是改变管内流动模式、提高工作流体热性能的有效途径^［5］。

纳米流体是纳米颗粒分散于基液中的悬浮体系，其热导率显著高于基液介质，因此表现出更优的对流传热系数。在传热工质中添加纳米粒子具有多项技术优势，包括悬浮稳定性高、系统堵塞风险低及压降增幅较小等特性^［6］。HERIS等^［7］利用环形管研究了层流条件下CuO‑H₂O和Al₂O₃‑H₂O纳米流体的对流传热特性，发现对流传热系数随体积浓度增加而增大。ANOOP等^［8］通过研究纳米粒子浓度与粒径参数对层流工况下Al₂O₃‑H₂O纳米流体热性能的影响，建立了相应的优化准则。针对纳米流体流动与传热的数值模拟主要采用单相模型和两相模型两类方法，其中，单相模型基于颗粒与基液速度场/温度场完全耦合以及颗粒均匀弥散分布的基本假设。ALBOJAMAL等^［9］对纳米流体的流体动力学与热特性进行了耦合分析，认为单相模型能有效预测纳米流体的流动与传热特性，无需采用计算复杂度更高的两相模型。

在各类涡流发生器中，螺旋扭带因其结构简单且工程实用性强而被广泛应用。研究表明，不同构型的扭带对强制对流传热具有显著强化作用。JARAMILLO等^［10］通过数值模拟分析集成螺旋扭带的槽式集热器性能，发现在低螺旋比和低雷诺数工况下，螺旋扭带可显著提升太阳能集热器效率。LI等^［11］采用CFD方法研究L形扭带对强化换热管传热的作用机制，系统揭示了扭带节数、扭距和扭带宽度对热工性能的影响规律，进而通过响应曲面法优化获得最佳设计参数组合。LIAW等^［12-13］对恒壁温边界条件下内嵌扭带的螺旋管进行分析，发现扭带插入可增强径向二次流强度，从而显著提升对流传热效率。DAGDEVIR等^［14］通过试验研究了不同扭带结构对换热管内传热和流动特性的影响，发现内插扭带可提高传热性能，且凹面型扭带的综合强化效果最优。ARASTEH等^［15］对比分析静止与旋转扭带的热力性能，能耗评估表明仅在低雷诺数工况下，旋转扭带才能实现良好热性能。PONNADA等^［16］分析基于熵产分析理论，量化单/双螺旋扭带对压降、对流换热系数及㶲效率的影响规律，热力学第二定律分析证实双扭带结构性能优与单扭带。

本文提出纳米流体与螺旋扭带的协同强化传热方法，将其应用于换热管热性能优化。基于计算流体力学（CFD）理论，采用单相模型开展数值模拟研究。选取Al₂O₃‑H₂O纳米流体为工作介质，重点研究纳米流体-螺旋扭带作用下的复合强化传热机理；通过设置另外3组对比方案：（1）纯水-光管；（2）纯水-螺旋扭带；（3）纳米流体-光管，系统分析纳米颗粒体积分数与流量两类运行参数对传热性能的影响规律。

1　内插扭带管物理模型

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1.1　几何结构

换热管外径为25 mm，管长为1 500 mm，壁厚为2.5 mm，材质为20#钢。换热管内安插铝制螺旋扭带，如图1所示。螺旋扭带的节数为5，截距为30 mm，宽度为16 mm。集热工质选为Al₂O₃‑H₂O纳米流体，相关材料的热物性参数见表1。

1.2　纳米流体热物性质

单相流模型基于纳米颗粒在基液中均匀弥散分布的基本假设，将纳米流体等效为均质连续介质。在数值模拟过程中，需准确表征纳米流体的热物性参数，包括密度、比热、黏度及导热系数等关键参数^［17］。

纳米流体的密度计算公式如下：

ρ n f = ρ f 1 - φ + ρ p φ

（1）

式中，ρ_f为基液密度，kg/m³；ρ_p为纳米颗粒密度，kg/m³；φ为纳米颗粒的体积分数。

定压比热容由下式确定：

c p, n f = ρ f c p, f 1 - φ + ρ p c p, p φ ρ n f

（2）

式中，c_p，f为基液定压比热容，J/(kg⋅℃)；c_p，p为纳米颗粒定压比热容，J/(kg⋅℃)。

导热系数的计算公式为：

k n f = k f k p + 2 k f - 2 φ k f - k p k p + 2 k f + φ k f - k p

（3）

式中，k_f为基液导热系数，W/（m·℃）；k_p为纳米颗粒导热系数，W/（m·℃）。

基于Einstein模型计算纳米流体的动力黏度：

μ n f = μ f 1 + 2.5 φ

（4）

式中，μ_f为基液的动力黏度，Pa·s。

2　CFD数学模型

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2.1　控制方程

文中采用单相不可压缩连续介质流动模型，其物理内涵为流体相与纳米颗粒相速度场完全耦合。同时设定流动与传热过程均处于稳态工况。基于上述基本假设，质量守恒方程、动量守恒方程及能量守恒方程构成的控制方程组可表述为：

连续性方程：

∇ ⋅ (ρ v ⃗) = 0

（5）

式中，ρ为密度，kg/m³；

v ⃗

为速度矢量，m/s。

动量方程：

∇ ⋅ ρ v ⃗ v ⃗ = - ∇ p + ∇ ⋅ μ ∇ v ⃗ + v ⃗ T + ρ g ⃗ + F ⃗

（6）

式中，p为压强，Pa；

F ⃗

为体积力，Pa。

能量方程：

∇ ⋅ (ρ v ⃗ c p T)) = ∇ ⋅ k e f f ∇ T + S h

（7）

式中，T为温度，℃；k_eff为等效导热系数，W/（m·℃）；S_h为广义源项，主要为黏性耗散，W。

湍流模型选用RNG k‑ε模型。采用SIMPLEC算法实现压力-速度耦合求解，动量方程与能量方程均采用二阶迎风格式（second order upwind）进行离散求解。

采用传热量Q衡量纳米流体的传热及流动特性：

Q = h A Δ T m

（8）

式中，Q为传热量，W；h为表面传热系数，W/（m·℃）；A为传热面积，m²；ΔT_m为对数平均温差，℃。

Δ T m = (T w - T i n) - (T w - T o u t) l n [(T w - T i n) / (T w - T o u t)]

（9）

式中，T_w为管壁温度，℃；T_in为流体入口温度，℃；T_out为流体出口温度，℃。

努塞尔数是表征对流换热强烈程度的特征数，其计算公式如下：

N u = h D / k

（10）

式中，D为管径，m。

摩擦系数计算公式：

f = 2 Δ p D L ρ U 2

（11）

式中，Δp为压降，Pa；L为管长，m；U为入口流速，m/s。

2.2　网格划分

对光管和内插扭带管采用不同类型的网格结构进行网格划分：对光管和内插扭带管分别采用六面体和多面体的网格结构进行网格划分，同时为准确模拟边界层处温度和速度的变化，对固液交界处网格进行加密处理，网格划分如图2所示。

2.3　边界条件

换热管入口设定质量流量入口边界条件，进口温度为10 ℃；出口采用压力出口边界条件，出口处压力设置为标准大气压。管壁施加无滑移边界条件，外壁面采用恒温边界条件，壁面温度设定为60 ℃。

3　结果与讨论

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为验证CFD模型的准确性，将模拟数据与文献中的试验结果进行对比。根据文献［18］建立相应模型获取模拟数据，对Nu进行比较，结果如图3所示。对比分析表明，最小相对误差为2.2%，最大相对误差为10.9%，模拟数据与试验结果吻合度良好，验证了CFD模型的可靠性。

针对光管和扭带管这2种不同的换热管结构，采用纯水和纳米流体这2种不同的集热工质进行对比分析。图4示出4组不同试验工况下换热管表面传热系数与Nu的对比结果（纳米流体体积分数为2%，质量流量为0.2 kg/s）。

从图可见，在相同工质条件下，螺旋扭带结构使表面传热系数显著提升：纯水工况提升7.1%，纳米流体工况提升6.2%。当换热管结构相同时，纳米流体的热性能优势明显：光管与螺旋扭带管的表面传热系数分别较纯水工况提升27.3%与26.2%。复合强化方案（纳米流体+螺旋扭带管）相对于基准工况（纯水+光管）的表面传热系数提升达35.18%。Nu分析显示纳米流体工况的Nu值降低，归因于其导热系数提升效应。2%体积分数纳米流体的导热系数为1.078 W/（m·℃），而纯水的导热系数为0.6 W/（m·℃），表明纳米流体可增强管内导热-对流耦合传热。

图5示出4组工况下，压降与流动摩擦系数的对比。结果表明：在纯水与纳米流体工况下，螺旋扭带管的压降和摩擦系数均显著高于光管，验证了螺旋扭带结构会诱发附加湍流耗散，从而导致流动阻力增强效应。

图6示出光管和扭带管的出口截面温度云图。可以发现，扭带管出口处温度变化范围为29.01~54.20 ℃，光管出口处温度变化范围为28.60~53.36 ℃。这是由于内插扭带引发管内漩涡流运动，使管壁附近温度较高的流体向中心移动，从而减薄了温度边界层厚度。模拟数据显示，扭带管的出口平均温度为31.45 ℃，比光管高0.96 ℃。

图7示出螺旋扭带管与光管的流线分布对比。光管内部流场呈现典型轴向层流特征，流线严格平行于管轴线分布；相较之下，螺旋扭带管中流体受扭带几何约束诱发螺旋二次流，形成强旋流结构。该旋流可促使近壁区高温工质与核心区低温工质发生对流掺混，使流体温度分布更加均匀，提高换热效率。

图8示出纳米流体体积分数为2%时，螺旋扭带管与光管在不同质量流量下的表面传热系数及摩擦系数变化规律。对于2种管型，表面传热系数均随质量流量增加呈单调递增趋势：当质量流量为0.05 kg/s时，光管与内插扭带管的表面传热系数分别为1796 W/（m²·℃）和1899 W/（m²·℃），提升幅度达5.8%；当质量流量为0.4 kg/s时，光管与内插扭带管的表面传热系数分别提升至4537 W/（m²·℃）和4817 W/（m²·℃），幅度扩大至6.2%。摩擦特性分析表明：低流量区内插扭带管的摩擦系数显著高于光管，而高流量区两者差异逐渐减小。2种管型的摩擦系数均随流量增大而减小。这是因为流速增加会导致流体动能与壁面剪切应力同时增加，但剪切应力增幅小于流体动能增幅，使得摩擦系数呈减小趋势；当流速较大时，流体动能与壁面剪切应力的增幅相近，导致摩擦系数减小速度变缓。

文中进一步分析了不同体积分数（0.5%，1%，2%，4%）纳米流体的传热特性。图9示出了纳米流体质量流量为0.2 kg/s时，Nu随体积分数的变化情况。当纳米颗粒体积分数从0.5%增加到4%时，Nu呈现递减趋势，其机理在于纳米流体有效导热系数随体积分数的增加而显著提升。

图10示出纳米颗粒体积分数为0，2%，4%时，螺旋扭带管出口截面温度场分布云图。可以看出，随着纳米颗粒体积分数的增加，出口平均温度从27.46 ℃（纯水）升至31.87 ℃（体积分数为2%）和32.75 ℃ （体积分数为4%），验证了纳米颗粒对工质传热能力的提升作用。

4　结论

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（1）纳米流体的高导热系数可有效提高对流换热系数。扭带的存在将直流流动转变为螺旋流动模式，有助于提升流体温度的均匀性。

（2）基于螺旋扭带与纳米流体的复合强化形式，相较于纯水-光管组合，表面传热系数提升了35.18%。然而，扭带的存在会导致换热管整体压降增大。

（3）文中系统探讨了纳米颗粒体积分数与入口质量流量对传热特性的耦合影响。当纳米颗粒体积分数从0.5%变化至4%时，Nu从57.1降至51.5，表明高浓度纳米流体因黏度激增导致对流换热效率下降。此外，采用纳米流体时螺旋扭带管的传热优势随质量流量的增加显著增强。当入口质量流量从0.1 kg/s增至0.4 kg/s时，螺旋扭带管较光管的Nu值增长幅度从4.3%扩大至11.7%，验证了高流量工况下二次流强化效应与纳米颗粒热输运的协同作用。

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参考文献引证文献

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2025年第53卷第5期

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doi: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.05.010

接收时间：2024-10-16
首发时间：2026-10-20
出版时间：2025-05-30

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收稿日期：2024-10-16
修回日期：2025-03-01

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¹中国石油兰州石化公司，兰州 730060

²兰州理工大学石油化工学院，兰州 730050

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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