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????? 纵向涡流发生器强化传热数值研究进展# 高猛,周国兵**|1|高猛|GAO Meng|华北电力大学能源动力与机械工程学院,北京 102206|School of Energy Power and Mechanical Engineering,North China Electric Power University,Beijing 102206|高猛(1986-),男,硕士研究生,主要研究方向:强化传热与流动减阻的数值研究|北京市昌平区北农路2号华北电力大学533号信箱研动0808班|102206|gaomeng5960@yahoo.

com.cn|01051963123|15120023947*|2|周国兵|ZHOU Guobing|华北电力大学能源动力与机械工程学院,北京 102206|School of Energy Power and Mechanical Engineering,North China Electric Power University,Beijing 102206|周国兵(1970-),男,副教授,主要研究方向:强化传热与流动减阻,太阳能热利用|北京市昌平区回龙观镇北农路2号华北电力大学73信箱能动学院|102206|zhougb@ncepu.edu.cn|01051963123|13717509738纵向涡流发生器强化传热数值研究进展|Simulations on Heat Transfer Enhancement by Longitudinal Vortex Generators: State-of-the-Art and Case Study|基金项目:高等学校博士学科点专项科研基金项目(20070079018);

电力青年科技创新项目(2008);

中央高校基本科研业务费专项基金(09MG25) (华北电力大学能源动力与机械工程学院,北京 102206) 摘要:对近年来纵向涡流发生器在换热器气侧强化传热和流阻性能的数值研究进行综述,内容包括:(1)纵向涡流发生器类型及布置方式;

(2)纵向涡流发生器强化传热和流阻性能;

(3)纵向涡强化传热机理.进一步分别对带斜截半椭圆柱面和斜截半椭圆柱体矩形通道内的层流流动和传热进行数值研究.结果表明,两涡流发生器强化传热效果几乎相同,比平直通道高72.7%~133.1%;

压力损失分别比平直通道增加100.4%~168.3%和108.1%~183.5%,斜截半椭圆柱面强化传热和流阻综合性能优于斜截半椭圆柱体. 关键词: 强化传热;

流阻;

数值模拟;

纵向涡流发生器 中图分类号:TK

172 Simulations on Heat Transfer Enhancement by Longitudinal Vortex Generators: State-of-the-Art and Case Study GAO Meng, ZHOU Guobing (School of Energy Power and Mechanical Engineering,North China Electric Power University,Beijing 102206) Abstract: Recent numerical investigations on heat transfer enhancement and flow resistance in the air-side of heat exchangers with longitudinal vortex generators (LVGs) have been reviewed. The following aspects were discussed: (1) type and layout of LVGs;

(2) performance of heat transfer enhancement and flow resistance of LVGs;

(3) mechanism of heat transfer enhancement of the longitudinal vortices. The laminar flow and heat transfer in rectangular channel with oblique-cut semi-elliptic cylinder shell and oblique-cut semi-elliptic cylinder were simulated, respectively. The results show heat transfer enhancements of these two types of vortex generators are almost identical, 72.7%~133.1% higher than smooth channel. Pressure losses are increased by 100.4%~168.3% and 108.1%~183.5% than smooth channel, respectively. The comprehensive performance of heat transfer enhancement and flow resistance of oblique-cut semi-elliptic cylinder shell is superior to that of oblique-cut semi-elliptic cylinder. Key words: heat transfer enhancement, flow resistance, numerical simulations, longitudinal vortex generators 引言 纵向涡流发生器强化传热是一种被动强化传热方式,常用于单相流体传热.最早报道涡流发生器强化传热研究的是Johnson和Joubert[1],他们对流过带固定攻角三角小翼的圆柱体表面的交叉流进行了实验研究.结果发现三角小翼附近区域的对流换热得到了强化,而圆柱体表面整体换热并未得到强化,文中也未提及涡流发生器强化传热机理.如今涡流发生器强化传热研究已经发展到很多领域,大到航空航天器及电厂空冷换热设备,小到微型电子元件的冷却,在节能降耗中发挥了重要作用.涡流发生器强化传热实验研究由于其能够直观地反映强化传热现象,一直是研究者们获得对物理现象认知的首选措施.但是由于实验研究成本高、实验周期较长等原因,在一定程度上限制了强化传热的研究.基于数值传热学与计算流体动力学的数值研究的发展拓展了强化传热研究,并且可以研究一些实验无法实现的问题,近年来有了较快发展.涡流发生器强化传热研究尚有大量需要进一步深入探讨的问题,如涡流发生器尺寸和布局设计及优化、强化传热和流阻综合性能评价标准、强化传热机理以及如何在实际换热设备中较好的应用等. 本文主要对近年来纵向涡流发生器强化气/液或气/气换热器气侧对流换热的数值研究及强化机理研究进行综述,并通过一个简单的数值算例来考察新开发的斜截半椭圆柱面在矩形通道内的强化传热和流阻性能. 纵向涡流发生器类型及布置方式 图1 几种涡流发生器[2-3] Fig.1 Several Vortex Genarators 涡流发生器按其形状通常可分为翼型和绕流柱(体)型,如图1所示的几种涡流发生器.常见翼型涡流发生器有三角(小)翼、矩形(小)翼及梯形(小)翼等;

绕流柱(体)型涡流发生器有挡板、立方块、球体、圆柱体、圆锥体、椭圆柱体等.翼型涡流发生器根据其加工安装方式又可分为翼式(wing)涡流发生器(涡流发生器尾边与翅片相连)和小翼式(winglets)涡流发生器(涡流发生器弦边与翅片相连)[4].近年来又提出了几种新型涡流发生器,强化传热和压降综合性能进一步提高,如斜截圆柱体、斜截椭圆柱体、斜截半圆柱体以及斜截半椭圆柱体.最近作者所在课题组在已有工作基础上提出了斜截半柱面涡流发生器,初步实验结果[5-6]表明与斜截半柱体涡流发生器相比,具有优良的强化传热效果和低压降特性,且结构简单,加工制作方便. 在翅片管换热器强化传热应用中,涡流发生器通常是对称布置在管后下游区域的翅片表面上,成矩阵形式排列;

按照一对涡流发生器前后缘的相对距离大小,涡流发生器布置有渐张式布置(the common flow down)和渐缩式布置(the common flow up);

按照涡流发生器的加工安装方式,涡流发生器有直接从翅片上冲压出来的、有黏贴、焊接及铆接在翅片表面上的等等.涡流发生器的尺寸、布置方式对强化传热和流阻性能有重要影响,因此在涡流发生器强化传热研究中,就要对其尺寸及布置方式进行优化,以求达到最佳效果. 涡流发生器强化传热和流阻性能 影响涡流发生器强化传热和流阻性能的因素很多,主要包括涡流发生器形状、尺寸、攻角及其阵列布置等.涡流发生器在强化对流换热的同时也会伴随着流动损失的增加,因此在涡流发生器的研究中须综合考察其强化传热和流阻性能,以实现最少的能耗获得最大的传热效果. 翼型涡流发生器由于其加工制造方便和节省材料,在数值研究中比较受关注. 田丽亭等[7]采用RNG k-ε湍流模型对翅片表面加装三角小翼的顺排和叉排波纹翅片管换热器内的流动和传热特性分别进行了数值研究.发现三角小翼的强化传热程度大于其产生的流动损失增加的程度.相比无三角小翼情况,带三角小翼的顺排管换热器传热因子j和摩擦因子f分别增加了15.4%和10.5%;

而带三角小翼叉排管换热器传热因子j和摩擦因子f分别增加了13.1%和7.0%. 田丽亭等[8]还在雷诺数Re=190~1125范围内对分别以渐缩式和渐扩式布置在矩形通道内的矩形小翼和三角小翼的传热和流阻特性进行了三维数值研究.结果发现,带小翼的通道换热效果要远好于光滑通道,其平均努谢尔特数Nu最大可以提高46%,同时通道阻力也大于光滑矩形通道;

对比性能评价指标(Num/Numo)/(f/fo),三角小翼综合性能在高雷诺数下大于1,优于矩形小翼;

三角小翼布置方式对其换热和流阻影响很小,而矩形小翼渐缩方式换热和流阻均大于渐扩方式. 楚攀等[9]对带三角小翼的椭圆管翅片换热器气侧换热和层流流动特性进行了三维数值模拟.结果表明,相比圆管翅片换热器,带三角小翼椭圆管翅片换热器平均努谢尔特数Nu提高了32.4%,远高于椭圆管翅片换热器提高的1.8%;

其综合性能(Nu/f)提高了28.93%. Wu等[10]在雷诺数Re=800~2000范围内分别对带30o和45o攻角三角小翼的翅片管换热器内层流对流换热进行了数值研究.结果表明,45o攻角三角小翼强化传热效果优于比30o;

45o攻角三角小翼使得压降有所升高,而30o攻角三角小翼则使压降略有下降. Wu等[11-12]又分别研究了带冲压矩形小翼和三角小翼矩形通道内的层流对流换热.结果表明冲压孔洞对小翼附近区域有较强的强化传热效果和较低的流动摩擦系数;

通道内的强化传热效果随着小翼攻角的增加而增强,同时其流阻也增加;

小翼厚度对小翼附近区域强化传热效果及通道总体压降几乎没有重要的影响;

通道平均努谢尔特数会随着涡流发生器远离通道入口距离的增加而下降,也会随着翼对之间距离的减小而下降.45o攻角矩形小翼强化传热效果最好,紧接着依次为60o、30o、90o、15o.小翼面积固定时,相比增加矩形小翼高度,增加长度会产生较强的强化传热效果和较小的流动损失;

面积相同的三角小翼强化传热效果比矩形小翼要好. Tian等[13]采用RNG k-ε湍流模型对带三角小翼波纹翅片管换热器气侧换热及流动进行了数值研究.结果表明,每个三角小翼的下游都会产生主涡和角涡.对于顺排管,纵向涡不仅强化圆管尾迹区内翅片表面的换热,而且强化三角小翼下游圆管表面的换热;

对于叉排管,从三角小翼来的纵向涡在第一个波纹槽下游被干扰,沿主流方向只发展了很短的距离,涡主要强化圆管尾迹区翅片表面的换热.三角小翼产生的纵向涡使得波纹翅片管换热器在有适中的流动损失下能产生较好的传热强化效果.在雷诺数Re=3000时,相比基准情况,带三角小翼的叉排和顺排波纹翅片管换热器的传热因子j和摩擦因子f因子分别增加了13.1%,7.0% 和15.4%,10.5%. Chu等[14]对带三角小翼翅片椭圆管换热器内的传热和流动特性进行了三维数值研究.雷诺数Re=500~2500,结果发现,小翼的存在使得翅片椭圆管换热器平均努谢尔特数Nu增加了13.6%~32.9%,伴随的压力损失增加了29.2%~40.6%. Hiravennava等[15]通过修正MAC方法求解了三维非稳态不可压缩流体N-S方程和能量方程来分析带三角小翼通道内的层流流动和传热.结果表明,相比光滑通道,有单个小翼的通道传热能力增强了33%,小翼对增强了67%,小翼对的传热强化几乎是单个小翼的两倍,同时还发现有限厚度小翼要略优于理想的零厚度小翼. 由于绕流柱(块)体涡流发生器比翼型涡流发生器耗费的材料多,因此相关的研究比较少. Hemida等[16]大涡模拟研究了贴附在受热立方块表面上的小立方块对立方块表面流动结构和传热的影响.并将其模拟结果与光滑立方块及带翅片的立方块进行对比.结果发现,带小立方块的立方块表面边界层内部的流动比表面光滑立方块更加振荡和不稳定,流动结构比较复杂,平均对流换热系数相比光滑立方块提高了16.7%.同时发现在翅片后........