翼片誘導管內縱向渦流動機理及強化傳熱特性研究.pdf

1、單相對流傳熱是換熱器中最常見的熱量傳遞過程，高效換熱管件的應用可有效提高傳熱效率、節(jié)約能源，同時有助于設備的緊湊化設計，因而提高管內的傳熱性能具有重要的研究意義。本文針對低Re數對流傳熱的特點，提出采用翼片誘導縱向渦的方式強化管內對流傳熱，并利用數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Re數較低時，對流傳熱熱阻不僅存在于壁面附近，還存在于主流區(qū)?；诖?，設計了適合圓管的矩形、梯形和三角形3種形式的翼片

2、結構，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，既能夠有效誘導邊界層流體擾動，又能強化主流區(qū)流體混合，同時不會產生過大的流動阻力，因而在研究工況范圍內，表現出較好的綜合傳熱性能。
　　模擬發(fā)現，梯形翼片能夠有效誘導后方流體產生縱向渦結構，提高了垂直于流動方向上的速度分量，橫截面內的橫向速度最高可達主流平均速度的60％。流經通道中部翼片上邊緣處的主流流體被引導至壁面附近，可

3、實現壁面附近高溫流體與主流區(qū)低溫流體間直接的質量和熱量交換;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，管內流體溫度分布的均勻性得到較大改善，壁面局部Nu數顯著提升，最大可達光滑管的10倍，在500＜Re＜2500范圍內，管內平均Nu數提高了0.5-3倍。
　　為得到不同工況下綜合傳熱性能最優(yōu)對應的翼片參數組合，利用三維數值模擬對翼片間距、與壁面夾角、沿周向布置個數等方面進行了優(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。結果發(fā)現:1）隨著翼片間距S減小，Nu/Nu0值增加，流動阻力增大。在Re＜2000時翼片誘導產生的縱向渦持續(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數和阻力系數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Nu數的提升更為顯著，在500＜Re＜7000范圍內，內置迎流翼片管內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n，可在橫截面內形成更為緊湊、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，當500＜Re＜5000時，翼片個數增多會提高管內的PEC值;在Re＞6000時，由于翼片增多引起的流動阻力增大，因而翼片個數對綜合傳熱性能的改善效果不大。
　　利用粒子成像測速技術(PIV)對圓管內置梯形翼片后的擾流流場進行了測量。實驗結果表明:翼片迎流放置時，渦偶內側為向壁流

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，渦偶內側為背壁流動，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。截面內橫向速度最大值分別出現在渦偶的向壁流區(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，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量交換。通過研究還發(fā)現，Re數較高時，翼片迎流放

7、置產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。
　　搭建了管內以水為工質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的管內傳熱和阻力特性進行了研究。結果表明:在研究工況范圍內，管內放置迎、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對應的PEC值比間距S=5提高了10％-18.7％。管內綜合傳熱性能隨Re數增長呈現先升后降的趨

8、勢，迎流翼片組PEC最大值對應的Re數隨間距減小而減小，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。在研究的參數范圍內，對于迎、順流翼片組，PEC值高于1.4對應的范圍分別為1500＜Re＜8000和1500＜Re＜6000。由此可見，管內置梯形翼片后對中、低Re數范圍的流體產生較好的綜合傳熱性能。
　　搭建了管內以空氣為工質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、方式對管內空氣對流傳熱特性和阻力特性的影響。對比發(fā)現:在實驗工況范圍內，迎流翼片組對管內Nu數的提升效果顯著，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數呈現先增后降的趨勢，最高接近1.25;間距較小（S=2.5和5）時，低Re數下管內PEC值較低，但隨著Re數增加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數較低時，綜合傳熱性能較好，PEC最大值均出現在150