翼片誘導(dǎo)管內(nèi)縱向渦流動(dòng)機(jī)理及強(qiáng)化傳熱特性研究.pdf

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(shí)有助于設(shè)備的緊湊化設(shè)計(jì)，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(diǎn)，提出采用翼片誘導(dǎo)縱向渦的方式強(qiáng)化管內(nèi)對流傳熱，并利用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)對其擾流機(jī)理和強(qiáng)化傳熱特性進(jìn)行了深入的研究。
　　當(dāng)管內(nèi)Re數(shù)較低時(shí)，對流傳熱熱阻不僅存在于壁面附近，還存在于主流區(qū)?；诖?，設(shè)計(jì)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(diǎn)，既能夠有效誘導(dǎo)邊界層流體擾動(dòng)，又能強(qiáng)化主流區(qū)流體混合，同時(shí)不會(huì)產(chǎn)生過大的流動(dòng)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(dòng)方向上的速度分量，橫截面內(nèi)的橫向速度最高可達(dá)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(shí)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(shí)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(jī)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(dá)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(gè)數(shù)等方面進(jìn)行了優(yōu)化

4、研究，并對其各自的流動(dòng)與傳熱機(jī)理進(jìn)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(dòng)阻力增大。在Re＜2000時(shí)翼片誘導(dǎo)產(chǎn)生的縱向渦持續(xù)距離較長，適當(dāng)增大翼片間距綜合傳熱性能較好;在Re＞6000時(shí)縱向渦的耗散作用增強(qiáng)，適當(dāng)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(dá)1.6;3）沿周向適當(dāng)增加翼片布置的個(gè)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(dòng)的流體所占的比例，有利于強(qiáng)化傳熱。在研究范圍內(nèi)，當(dāng)500＜Re＜5000時(shí)，翼片個(gè)數(shù)增多會(huì)提高管內(nèi)的PEC值;在Re＞6000時(shí)，由于翼片增多引起的流動(dòng)阻力增大，因而翼片個(gè)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(jìn)行了測量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:翼片迎流放置時(shí)，渦偶內(nèi)側(cè)為向壁流

6、動(dòng)，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(shí)，渦偶內(nèi)側(cè)為背壁流動(dòng)，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(dá)主流均速的27％以上，徑向速度可達(dá)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(shí)，翼片迎流放

7、置產(chǎn)生的縱向渦相對于翼片順流放置時(shí)具有更高的強(qiáng)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(dòng)測試實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(qiáng)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(dòng)測試實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)，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(shí)，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(shí)增長速率較快。對于順流翼片組，當(dāng)Re數(shù)較低時(shí)，綜合傳熱性能較好，PEC最大值均出現(xiàn)在150