螺旋管因其结构紧凑、换热性能好等优点，成为能源、化工等领域的关键设备。比如，高温气冷堆使用螺旋管式蒸汽发生器，流体在其内流动时受离心力作用，流动特征与直管差异显著：直管层流向湍流转捩的临界雷诺数（Recri）通常为2300，而螺旋管受离心力影响，临界雷诺数更大，且随螺旋曲率增大而升高。

该临界雷诺数可通过Ito公式计算，曲率为0.04（能源、化工领域典型曲率）时约为7000，关系到螺旋管内流动状态的判断，直接影响对其换热性能、流动阻力等核心特性的评估，是螺旋管设备设计时需重点考量的基础规律。

本案例基于 DIMAXER 流体仿真平台，针对雷诺数Re=5148(层流), 6572(转捩), 7995(湍流)三种流动工况开展非定常大涡模拟数值研究。

通过构建全域结构化高分辨率网格，耦合高阶算法，精准捕捉螺旋管内流动状态下的转捩特征，以及预测各流动工况下的摩擦阻力系数。

01    几何模型

螺旋管几何模型如下图所示，R0为截面半径，R为螺旋半径，P为螺旋管的螺距。螺旋曲率使用R0/R计算。

02   网格划分

网格拓扑结构整体采用o-block的方式进行划分，并对壁面进行了加密。第一层网格高度为0.015mm，膨胀生长17层，壁面附近网格膨胀率为1.17，网格量为96万，6131万求解点。

截面网格分布

 整体网格分布示意图

网格质量相对较高，整个流域网格的长宽比在50以下，雅可比质量均在0.7以上。

03   边界条件

算例入口设置为速度入口，出口设置为压力出口。

为了更好地探究流动沿程发展，在l/d=20, 40, 70附近设置了三处用于监测局部切应力的环形壁面。具体工况和位置示例如下：

入口速度： 9.4 m/s；12 m/s；14.6 m/s

出口绝对压力：101325 Pa

流动工质：空气

04   计算结果

为了将DIMAXER结果与其他软件进行对比，同时展示了某软件上集成的计算模型（工业界广泛运用的湍流模型）的稳态计算结果。DIMAXER软件使用2张4090显卡计算一个流动周期的时间为2天。

4.1 不同雷诺数下阻力系数对比

不同雷诺数下阻力系数对比

如图所示，DIMAXER计算流动充分发展时均阻力系数在层流雷诺数(Re=5148)，临界雷诺数附近(Re=6572)，以及湍流雷诺数(Re=7995)下与各经验公式的偏差皆不超过5%。而某软件计算结果与各经验公式的偏差皆在10%~15%（计算结果均从公开资料中获得）。

4.2 切应力分布

切应力是流体流动时，内部相邻流层因相对运动产生的单位面积剪切力，直接反映了流体的流动阻力特性。

在螺旋管l/d=70（流体流动充分发展的关键位置），对比分析层流、临界转捩、湍流三种典型雷诺数场景下，DIMAXER时均切应力分布与某软件的切应力稳态分布表现：

-层流雷诺数下，DIMAXER计算切应力分布都呈现出于管严格上下对称分布的形态。管内侧附近(θ/360=0)切应力小，发展到管外侧附近(θ/360=0.5)切应力达到峰值，管顶部(θ/360=0.25)和底部(θ/360=0.75)切应力几乎相等。

而某软件计算切应力分布在管内侧、顶部以及底部都比DIMAXER计算结果要大，且在管外侧附近计算得相对小且平缓。

-临界雷诺数附近，DIMAXER计算切应力分布都呈现出于管上下对称分布的形态。某软件计算的切应力大于DIMAXER，且在顶部和底部附近预测出了更大的切应力。

-湍流雷诺数下，DIMAXER计算的切应力呈管周上下对称分布；某软件计算的切应力整体更大，仅管外侧附近与 DIMAXER 结果接近，顶部和底部仍预测出了更大的切应力。

对比 DIMAXER 与某软件对切应力的计算可见，DIMAXER 能够更为精准地预测管壁附近的速度梯度分布，而某软件在管壁附近各位置都错误地计算了更大的速度梯度。同时，在复杂流动转捩过程中，DIMAXER仿真优势显著：针对不同雷诺数场景，能呈现出与真实物理情况更契合的分布特征差异；而某软件基于RANS方法在转捩过程的细节还原上与真实物理情况相悖。

4.3 出入口压差对比

在三种流动状态下，某软件均预测出了更大的压差。

4.4 截面速度云图

取沿程不同l/d位置下观测截面速度模值以及切面的二次流速度流线。在螺旋管流动中，离心力会使管内侧流体被甩到管外侧，管外侧流体受挤压后，沿管壁顶部和底部流向管内侧，形成涡的运动。即使在层流状态下，也会出现这种二次流产生的涡，使得由分子粘性力为主导的层流更加稳定。于是，螺旋管存在更大的临界雷诺数。

层流雷诺数下，当流动充分发展，在不同l/d位置下速度云图分布类似，截面二次流流线稳定，层流特征明显。

临界雷诺数下，流动充分发展时：

l/d=20处，截面二次流流线在管内侧及管外侧较稳定，可捕捉到明显的层流。流动开始出现不稳定，出现转捩迹象。

l/d=40处，流动不稳定进一步发展。管外侧区域附近的二次流流线显示，流动正经历间歇性的不稳定现象。

l/d=70处，流动几乎已经完全发展为湍流。

湍流雷诺数下，在l/d=20/40/70位置，流动脉动增加，直至l/d=40/70流动完全发展为湍流。

4.5 全局涡量云图

临界雷诺数下流动的涡量发展如图所示。

整体上看，DIMAXER非定常大涡模拟能够较好地预测，螺旋管内层流向湍流转捩过程中不同雷诺数的摩擦阻力系数，其结果与工业经验公式的偏差不超过5%。

且相较某软件，DIMAXER也能够捕捉到不同流动状态下的壁面周向切应力分布形态。通过DIMAXER计算和分析沿管程不同位置的速度云图，可以直观地观测到螺旋管层流向湍流转捩的过程中，各雷诺数下对应不同的流动状态，进而精准捕捉转捩的位置。