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文檔簡介
1、單相對流傳熱是換熱器中最常見的熱量傳遞過程,高效換熱管件的應(yīng)用可有效提高傳熱效率、節(jié)約能源,同時有助于設(shè)備的緊湊化設(shè)計,因而提高管內(nèi)的傳熱性能具有重要的研究意義。本文針對低Re數(shù)對流傳熱的特點,提出采用翼片誘導(dǎo)縱向渦的方式強化管內(nèi)對流傳熱,并利用數(shù)值模擬和實驗對其擾流機理和強化傳熱特性進行了深入的研究。
當管內(nèi)Re數(shù)較低時,對流傳熱熱阻不僅存在于壁面附近,還存在于主流區(qū)。基于此,設(shè)計了適合圓管的矩形、梯形和三角形3種形式的翼片
2、結(jié)構(gòu),通過對其擾流流場和傳熱性能分析,可以得出:相較于矩形翼片和三角形翼片,梯形翼片因其“上窄下寬”的特點,既能夠有效誘導(dǎo)邊界層流體擾動,又能強化主流區(qū)流體混合,同時不會產(chǎn)生過大的流動阻力,因而在研究工況范圍內(nèi),表現(xiàn)出較好的綜合傳熱性能。
模擬發(fā)現(xiàn),梯形翼片能夠有效誘導(dǎo)后方流體產(chǎn)生縱向渦結(jié)構(gòu),提高了垂直于流動方向上的速度分量,橫截面內(nèi)的橫向速度最高可達主流平均速度的60%。流經(jīng)通道中部翼片上邊緣處的主流流體被引導(dǎo)至壁面附近,可
3、實現(xiàn)壁面附近高溫流體與主流區(qū)低溫流體間直接的質(zhì)量和熱量交換;同時縱向渦沿壁面發(fā)展有效減薄了熱邊界層,增大了壁面附近的溫度梯度。在上述兩種機制的共同作用下,管內(nèi)流體溫度分布的均勻性得到較大改善,壁面局部Nu數(shù)顯著提升,最大可達光滑管的10倍,在500<Re<2500范圍內(nèi),管內(nèi)平均Nu數(shù)提高了0.5-3倍。
為得到不同工況下綜合傳熱性能最優(yōu)對應(yīng)的翼片參數(shù)組合,利用三維數(shù)值模擬對翼片間距、與壁面夾角、沿周向布置個數(shù)等方面進行了優(yōu)化
4、研究,并對其各自的流動與傳熱機理進行了深入分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn):1)隨著翼片間距S減小,Nu/Nu0值增加,流動阻力增大。在Re<2000時翼片誘導(dǎo)產(chǎn)生的縱向渦持續(xù)距離較長,適當增大翼片間距綜合傳熱性能較好;在Re>6000時縱向渦的耗散作用增強,適當減小翼片間距綜合傳熱性能較好;2)Nu數(shù)和阻力系數(shù)均隨翼片與壁面夾角α的增大而增加,且翼片迎流放置對管內(nèi)Nu數(shù)的提升更為顯著,在500<Re<7000范圍內(nèi),內(nèi)置迎流翼片管內(nèi)PEC值均在1.2以
5、上,最高可達1.6;3)沿周向適當增加翼片布置的個數(shù)n,可在橫截面內(nèi)形成更為緊湊、密集的渦流,增大參與擾動的流體所占的比例,有利于強化傳熱。在研究范圍內(nèi),當500<Re<5000時,翼片個數(shù)增多會提高管內(nèi)的PEC值;在Re>6000時,由于翼片增多引起的流動阻力增大,因而翼片個數(shù)對綜合傳熱性能的改善效果不大。
利用粒子成像測速技術(shù)(PIV)對圓管內(nèi)置梯形翼片后的擾流流場進行了測量。實驗結(jié)果表明:翼片迎流放置時,渦偶內(nèi)側(cè)為向壁流
6、動,沿周向延展范圍較廣,在翼片下游持續(xù)距離較長;翼片順流放置時,渦偶內(nèi)側(cè)為背壁流動,沿徑向延展距離較長,在距離翼片后方較近位置處擾流效果最好。截面內(nèi)橫向速度最大值分別出現(xiàn)在渦偶的向壁流區(qū)和背壁流區(qū),徑向速度分量最大值位于相鄰旋渦中間位置。在500<Re<13000范圍內(nèi),翼片后方10mm處的橫向速度最大可達主流均速的27%以上,徑向速度可達主流均速的20%,有利于主流流體和壁面附近流體的質(zhì)量交換。通過研究還發(fā)現(xiàn),Re數(shù)較高時,翼片迎流放
7、置產(chǎn)生的縱向渦相對于翼片順流放置時具有更高的強度和更好的持續(xù)性。
搭建了管內(nèi)以水為工質(zhì)的傳熱與流動測試實驗臺,對順、迎流翼片組不同間距下對應(yīng)的管內(nèi)傳熱和阻力特性進行了研究。結(jié)果表明:在研究工況范圍內(nèi),管內(nèi)放置迎、順流翼片后傳熱性能相對于光滑管分別提高了70%-175%和60%-130%。翼片組間距較小強化傳熱效果較好,間距S=2.5對應(yīng)的PEC值比間距S=5提高了10%-18.7%。管內(nèi)綜合傳熱性能隨Re數(shù)增長呈現(xiàn)先升后降的趨
8、勢,迎流翼片組PEC最大值對應(yīng)的Re數(shù)隨間距減小而減小,但大致均在2000-4000之間,而各間距下的順流翼片組PEC最大值在Re=2000附近。在研究的參數(shù)范圍內(nèi),對于迎、順流翼片組,PEC值高于1.4對應(yīng)的范圍分別為1500<Re<8000和1500<Re<6000。由此可見,管內(nèi)置梯形翼片后對中、低Re數(shù)范圍的流體產(chǎn)生較好的綜合傳熱性能。
搭建了管內(nèi)以空氣為工質(zhì)的傳熱與流動測試實驗臺,研究了翼片組的間距、順迎流放置和排列
9、方式對管內(nèi)空氣對流傳熱特性和阻力特性的影響。對比發(fā)現(xiàn):在實驗工況范圍內(nèi),迎流翼片組對管內(nèi)Nu數(shù)的提升效果顯著,Nu/Nu0值均在1.42-1.78之間,間距較大(S=10和7.5)時,PEC值隨Re數(shù)呈現(xiàn)先增后降的趨勢,最高接近1.25;間距較?。⊿=2.5和5)時,低Re數(shù)下管內(nèi)PEC值較低,但隨著Re數(shù)增加PEC值逐漸提升,且在Re<1500時增長速率較快。對于順流翼片組,當Re數(shù)較低時,綜合傳熱性能較好,PEC最大值均出現(xiàn)在150
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