引言我国LNG进口量逐年增加，接收站中的汽化设备愈加关键。浸没燃烧式汽化器(SCV)具有结构紧凑、操作灵活和换热效率高等特点，被广泛用于接收站调峰系统。国内外学者针对SCV的流动传热性能进行了一些研究。RIBEIRO[1]等研究了空气-水为介质的浸没燃烧系统，提出用于模拟直接接触式蒸发器非均匀气泡动力学的两类气泡模型。PARK[2]等将带有翅片换热管束的SCV系统简化为多孔介质模型，采用熵最小化方法，对颗粒直径和孔隙率进行了优化分析。RUAN[3]等对小型SCV进行了实验研究，精准测量了壳程换热系数并探究了气体扰动对换热的影响。王玉娟[4]等采用模拟计算对不同工况下的SCV换热特性进行研究，并根据实际生产情况，通过现场试验反馈提出了可行性。韩昌亮[5]等建立了SCV耦合换热的数值模型，探究了管外烟气与水两相流和管内跨临界LNG之间耦合换热规律。在SCV中，相较于换热更为强烈的管外流动，改善换热系数较低的管内LNG换热情况对整体换热效率的提高有着重要意义，但目前这方面的研究较少。因此，将SCV换热盘管中常用的圆直管替换为螺旋扁管，以期改善管内换热性能，探究结构参数对换热的影响。1建立模型1.1物理模型蛇形螺旋扁管的物理模型如图1所示。长直管段长565 mm，短直管段长500 mm，弯管的半径均为25 mm。椭圆管由外径14 mm、内径10 mm的圆管挤压而成。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.016.F001图1蛇形螺旋扁管的物理模型1.2控制方程LNG物性从REFPROP软件中导出，临界温度为190.6 K，临界压力为4.55 MPa。稳态控制方程包括质量方程、动量方程、能量方程，湍流模拟采用SST k-ω湍流模型。边界条件：采用质量流量入口，入口温度为120 K，压力出口，管外壁温度293 K。局部对流换热系数h为：h=qTw-Tf (1)式中：q——管内壁的局部热流密度，W/m2；Tw——管内壁温度，K；Tf——管截面流体质量平均温度，K。努塞尔数Nu为：Nu=hmdeλm (2)式中：hm——总对流换热系数，W/(m2·K)；de——水力直径，m；λm——流体的质量平均导热系数，W/(m·K)。摩擦因子f为：f=∆p∙de2ρmum2L (3)式中：∆p——进出口压力差，Pa；ρm——流体平均密度，kg/m3；um——管道中流体的平均速度，m/s；L——流道长度，取3.52 m。综合换热性能评价因子为：(NuNu0)/(ff0)13 (4)式中：Nu0和f0——分别是圆直管的努塞尔数和摩擦因子。1.3模型验证利用ANSYS mesh生成结构化网格，并对贴壁处流体域进行细化处理，保证第一层网格节点到壁面的无量纲距离约为1。通过网格无关性验证，网格数量设置在160万左右。将模拟结果与某LNG接收站的实际运行参数[6]进行对比，出口温度和进口压力的偏差都在2%以内，物性设置和计算方法的选择基本合理，可以进行下一步分析。2结果分析2.1速度场和温度场分析模拟结果显示，LNG沿流动方向的温度不断上升，随着温度升高增速变慢。在进口处和弯管处温度呈现明显的分层现象，这是由于跨临界过程中密度变化剧烈，在重力和离心力共同作用下出现分层现象。在定质量流量条件下，密度的剧烈变化也导致速度变化。LNG在管内吸收热量，不断膨胀，速度由进口的0.44 m/s升高到出口的3.84 m/s，增加了6倍，流体扰动增加，加强了管内壁的换热。2.2工况的影响2.2.1入口质量流量取截面半轴比0.6、旋转周数20的螺旋扁管，压力为6.93 MPa。质量流量可以对管内换热状况产生极为直观的影响。质量流量对换热系数和温度的影响如图2和图3所示。由图2可知，质量流量增大导致管内对流强度增加，换热得到强化。沿程流换热系数有5个尖峰，对应蛇形管的5个弯曲段。在弯曲段流体连续改变方向，在截面产生二次环流，造成流体的混合，使得扰动增加，导致弯曲段的对流换热系数明显高于直管段，而且质量流量越大，相较于直管段升高的幅度越大。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.016.F002图2质量流量对换热系数的影响10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.016.F003图3质量流量对温度的影响由图3可知，大流量意味着流体在管内的流动时间减少，其减小的程度大于换热强化的程度，导致出口平均温度降低。沿程温度随着质量流量的减小而增加。在拟临界温度附近会出现一个峰值，这是由于超临界流体在拟临界温度附近比热出现峰值，吸热能力比较强。这之后直管段的对流换热系数慢慢减小，趋于稳定。2.2.2运行压力管结构与上一节相同，质量流量为0.014 44 kg/s。运行压力对换热系数和温度的影响如图4和图5所示。随着运行压力增大，对流换热系数变大。在拟临界温度附近，低运行压力下的换热系数提升幅度大于高运行压力。运行压力较高时，LNG的物性变化较为温和，相比低运行压力的工况，浮升力效应和流动加速效应减弱，避免了近壁处温度变化很大导致密度梯度很大，从而出现切应力减小、湍流减弱的现象，所以高运行压力下的换热更强烈。而在大比热区，运行压力越高，LNG比热减小，流体吸热能力减弱，拟临界点附近换热系数相对较小。运行压力越高，沿程流体平均温度越高，原因是高压导致流体密度、导热系数增大。在大比热区内，5.50 MPa和6.93 MPa下的沿程温度增长有不同程度的减缓，因为5.5 MPa和6.93 MPa下的比热峰值较大，吸收同样的热量温度升高迟缓。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.016.F004图4运行压力对换热系数的影响10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.016.F005图5运行压力对温度的影响2.3结构参数的影响2.3.1半轴比工况为质量流量0.014 44 kg/s、压力6.93 MPa、旋转周数20。管道半轴比对换热系数的影响如图6所示。管道截面半轴比越小，换热系数越高。一方面因为管道截面半轴比减小使得截面积变小，同等质量流量下的速度越大，换热越强。半轴比低的螺旋扁管更为扁平，使得管内的螺旋状流动更加强烈，垂直于主流方向的径向分速度更大，增加了扰动。半轴比为0.4时，平均对流换热系数为1 724.77 W/(m2·K)，最高达到2 490.8 W/(m2·K)；其流速为0.8半轴比管道的1.317倍，平均对流换热系数为1.3倍。流体温度随半轴比的减小而升高，且升高幅度在半轴比较低时会更加明显。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.016.F006图6管道半轴比对换热系数的影响2.3.2旋转周数工况与上一节相同，截面半轴比为0.6。旋转周数对换热系数的影响如图7所示。旋转周数对换热的影响比较小，旋转周数为10、20、30周时，平均换热系数分别为1 354.3 W/(m2·K)、1 427.2 W/(m2·K)、1 477.1 W/(m2·K)。管结构的周期性变化也使得流动呈现一定的周期性，旋转流动更频繁，对流换热的周期性变化更快，如高旋转周数的管道沿程换热系数锯齿状的突起更密集。不同旋转周数的流体温度分布差别不大，特别在x=0.6 m之前几乎无区别，出口流体温度差别在2 ℃以内。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.016.F007图7旋转周数对换热系数的影响2.3.3不同几何尺寸的综合换热性能管道半轴比和旋转周数对综合换热性能的影响如图8和图9所示。所有的综合换热性能均在1以上，表明螺旋扁管结构可以在阻力提升不大的情况下改善蛇形管的换热性能。截面半轴比越小，即管通道越扁平，综合换热因子越高，这种提升幅度在低半轴比的时更为明显，提升幅度最高达到27.56%。针对旋转周数，除了入口流速为0.4 m/s的情况下，螺旋扁管的综合换热性能随旋转周数的增加而提高，但不同旋转周数差别不大，特别是旋转周数为10和20的管道，提升效能几乎相同。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.016.F008图8管道半轴比对综合换热性能的影响10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.016.F009图9旋转周数对综合换热性能的影响3结语螺旋扁管的半轴比越小，流道越扁平，流体旋转流动时的径向分速度越大，扰动越大，流体温度和管内对流换热系数也越高。旋转周数的增加会提升管内旋转流动的频率，但整体上对换热的影响比较小。在0.4~1.0 m/s的等效圆管速度范围内，不同半轴比和旋转周数的综合换热性能(NuNu0)/(ff0)13均大于1。