矩形通道內(nèi)縱向渦發(fā)生器布置方式對(duì)流動(dòng)傳熱的影響

蔡楠，田麗亭，閔春華，齊承英，李平

（河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，天津 300401）

矩形通道內(nèi)縱向渦發(fā)生器布置方式對(duì)流動(dòng)傳熱的影響

蔡楠，田麗亭，閔春華，齊承英，李平

（河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，天津 300401）

對(duì)矩形通道內(nèi)非對(duì)稱布置矩形縱向渦發(fā)生器進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，得出了在500～2000范圍內(nèi)非對(duì)稱布置縱向渦發(fā)生器對(duì)空氣的流動(dòng)和換熱特性的影響規(guī)律．結(jié)果表明：非對(duì)稱布置縱向渦發(fā)生器比對(duì)稱布置縱向渦發(fā)生器的數(shù)僅減少了4%～6%，而阻力因子減少了11%～12%，減阻效果非常明顯．非對(duì)稱布置縱向渦發(fā)生器的綜合換熱性能/比對(duì)稱布置方式增加了5%～20%，表明非對(duì)稱布置縱向渦發(fā)生器的綜合換熱性能更好．

縱向渦發(fā)生器；非對(duì)稱布置；絕對(duì)渦通量；流動(dòng)減阻；數(shù)值模擬

縱向渦發(fā)生器是一種通過使流體產(chǎn)生縱向渦，從而增加湍流度來強(qiáng)化換熱的裝置．縱向渦發(fā)生器因其良好的強(qiáng)化傳熱性能而備受關(guān)注．由于換熱器的熱阻主要集中在空氣側(cè)，因此，強(qiáng)化空氣側(cè)換熱是提高綜合換熱的關(guān)鍵．文獻(xiàn)[1-6]分別研究了加裝有縱向渦發(fā)生器通道內(nèi)空氣的流動(dòng)和換熱特性．同時(shí)，縱向渦發(fā)生器的布置方式也是強(qiáng)化換熱的關(guān)鍵，王令等[7]對(duì)單側(cè)帶有周期性分布縱向渦發(fā)生器的矩形窄通道內(nèi)強(qiáng)化換熱進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)縱向渦發(fā)生器對(duì)換熱有較好的強(qiáng)化作用，同時(shí)通道的阻力略有增加，并且順流布置方式的綜合流動(dòng)和換熱效果要略好于逆流布置方式．Hsiao等[8]將非對(duì)稱布置縱向渦發(fā)生器用于微通道中流體的混合，并分析了不對(duì)稱度、攻角等對(duì)混合效率的影響．本文對(duì)非對(duì)稱布置縱向渦發(fā)生器和對(duì)稱布置縱向渦發(fā)生器流動(dòng)和換熱效果進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)比兩者的換熱特性、阻力特性和綜合換熱特性，為優(yōu)化矩形通道內(nèi)的強(qiáng)化換熱提供參考．

1 計(jì)算模型及方法

1.1 物理問題描述

本文對(duì)以空氣為介質(zhì)矩形通道內(nèi)的流動(dòng)換熱進(jìn)行模擬研究．矩形通道尺寸為350mm×60mm×20mm（長×寬×高）．在通道下壁面安裝3排矩形翼縱向渦發(fā)生器，矩形翼的布置方式如圖1所示，分別命名為對(duì)稱布置、非對(duì)稱布置、無小翼非對(duì)稱布置．矩形翼模型的結(jié)構(gòu)如圖1a）所示，矩形翼的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：矩形翼大翼長l=20mm，小翼長l'=10mm，寬度d=2mm，高h(yuǎn)=10mm，攻角=45o．

圖1 模型結(jié)構(gòu)及計(jì)算區(qū)域Fig.1 M odel structureand calculation region

1.2 計(jì)算方法

本文采用Fluent軟件，將空氣視為常物性不可壓縮流體，流體在通道中的流動(dòng)假設(shè)為三維、湍流、穩(wěn)態(tài)、無粘性耗散．計(jì)算采用RNG-模型，壓力和速度的耦合采用SIMPLE算法，對(duì)流項(xiàng)離散采用二階迎風(fēng)格式，擴(kuò)散項(xiàng)離散采用中心差分法．網(wǎng)格生成采用ICEM的BLOCK技術(shù)生成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，比較Nu數(shù)與阻力因子f隨網(wǎng)格數(shù)的變化關(guān)系，結(jié)果如圖2所示，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)達(dá)到1 052 000時(shí)，繼續(xù)增加網(wǎng)格數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響不大，數(shù)和阻力因子f隨網(wǎng)格數(shù)幾乎不變，可以認(rèn)為當(dāng)網(wǎng)格數(shù)為1052 000時(shí)，獲得網(wǎng)格無關(guān)的獨(dú)立解，因此計(jì)算通道的網(wǎng)格數(shù)采用1 052 000．

1.3 邊界條件

圖2 網(wǎng)格獨(dú)立性考核Fig.2 Verification ofgrid independence

2 結(jié)果及討論

2.1 強(qiáng)化換熱性能分析

將無縱向渦發(fā)生器的矩形通道，即光通道與經(jīng)典關(guān)聯(lián)式Dittus-Boelter：=0.0230.80.4進(jìn)行對(duì)比，考慮到入口效應(yīng)的影響，即入口段由于熱邊界層較薄而具有比較高的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)．進(jìn)行入口效應(yīng)修正：=1+/0.7，修正后的公式為：=0.0230.80.4．從圖3中可以看到，光通道與修正后的經(jīng)典關(guān)聯(lián)式吻合較良好，最大誤差在16%的允許范圍內(nèi)，表明本文的模擬方法可信．

由圖4中3種不同矩形翼布置方式換熱效果的比較可以看出對(duì)稱布置渦發(fā)生器最大,換熱效果最好．2種非對(duì)稱布置渦發(fā)生器接近，換熱效果不如對(duì)稱布置．對(duì)稱布置渦發(fā)生器的要比2種非對(duì)稱布置高大約4%左右．

2.1.1 3 種布置方式產(chǎn)生的縱向渦情況

圖3 光通道與修正后的經(jīng)典公式對(duì)比Fig.3 Comparisonsbetween smooth channeland the revised classic formula

圖4 的比較Fig.4 ComparisonsofNusseltnumber

圖5 =50mm處的速度云圖和流線圖Fig.5 Velocity contoursand stream linesat the cross-section of=50mm

2.1.2 通道內(nèi)流動(dòng)特性的比較

2.1.3 通道內(nèi)局部換熱特性的比較

圖6 =140mm處的速度云圖和流線圖Fig.6 Velocity contoursand stream lines at the cross-section of =140mm

圖7 絕對(duì)渦通量的比較Fig.7 Comparisonsofabsolutevorticity flux

2.2 阻力因子分析

圖8 3種布置方式的溫度云圖和流線圖Fig.8 Three kindsof arrangementof the temperature contours and the stream lines

圖9 沿x軸局部變化Fig.9 Thechangeof localNusseltnumberalong thexaxis

圖10 阻力因子比較Fig.10 Comparisonsof friction factor

圖11 綜合換熱因子的比較Fig.11 Com parisonsofoverall thermalperformance

2.3 綜合換熱性能分析

綜合比較換熱性能和阻力性能時(shí)，一般用j因子（如式(3)）與阻力因子的比值作比較．其值越大，表明綜合換熱性能越好．圖11顯示了綜合換熱性能的比較，比較后可以發(fā)現(xiàn)無小翼非對(duì)稱布置方式的綜合換熱性能最佳．從圖中還可以看出隨著數(shù)的增加，綜合換熱性能先增大后減小，這是因?yàn)樵跀?shù)較小時(shí)，因子對(duì)綜合換熱性能影響較大，而當(dāng)數(shù)變大時(shí)，因子對(duì)綜合換熱性能起到了決定作用．

3 結(jié)論

本文提出一種新的矩形翼布置方式—非對(duì)稱布置．從絕對(duì)渦通量ABS、努塞爾數(shù)、阻力因子和綜合換熱性能/4個(gè)方面來與傳統(tǒng)的對(duì)稱布置方式進(jìn)行對(duì)比，得出以下結(jié)論：

1）通過比較3種布置方式的絕對(duì)渦通量可以發(fā)現(xiàn)，空氣流經(jīng)縱向渦發(fā)生器時(shí)絕對(duì)渦通量均有所上升，2種非對(duì)稱布置縱向渦發(fā)生器產(chǎn)生的絕對(duì)渦通量不如對(duì)稱布置，意味著非對(duì)稱布置方式產(chǎn)生的二次流強(qiáng)度不如對(duì)稱布置．

2）2 種非對(duì)稱布置縱向渦發(fā)生器在強(qiáng)化換熱方面要稍低于對(duì)稱布置方式，數(shù)僅降低了4%～6%．3）2種非對(duì)稱布置縱向渦發(fā)生器在減阻方面優(yōu)于對(duì)稱布置，降低了14%～22%，降阻效果十分明顯．4）對(duì)比綜合換熱性能，2種非對(duì)稱布置縱向渦發(fā)生器比對(duì)稱布置縱向渦發(fā)生器綜合換熱性能提高了5%～20%左右，充分說明非對(duì)稱布置是更優(yōu)化的設(shè)計(jì)．

[1]汪健生，張金鳳，劉志毅．小尺度渦流發(fā)生器強(qiáng)化傳熱的數(shù)值模擬[J]．化工學(xué)報(bào)，2007，58（7）：1648-1654．

[2]劉尹紅，卿德藩．縱向渦發(fā)生器在空氣預(yù)熱器中的強(qiáng)化傳熱數(shù)值模擬研究[J]．機(jī)械研究與應(yīng)用，2009，21（6）：18-20．

[3]魏晉，齊承英．縱向渦發(fā)生器強(qiáng)化換熱性能的數(shù)值研究[J]．河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，35（6）：88-91．

[4]楚攀，何雅玲，李瑞，等．帶縱向渦發(fā)生器的橢圓管翅片換熱器數(shù)值分析[J]．工程熱物理學(xué)報(bào)，2008，29（3）：488-490．

[5]王令，陳秋煬，曾敏，等．矩形窄通道內(nèi)帶縱向渦發(fā)生器的傳熱強(qiáng)化[J]．化工學(xué)報(bào)，2006，57（11）：2549-2553．

[6]田林，柏巍，薛山虎，等．縱向渦發(fā)生器對(duì)矩形通道內(nèi)流動(dòng)換熱的影響研究[J]．工程熱物理學(xué)報(bào)，2013，34（2）：324-327．

[7]王令，陳秋煬，周硯耕，等．單側(cè)帶有周期性分布縱向渦發(fā)生器的矩形窄通道內(nèi)傳熱強(qiáng)化的實(shí)驗(yàn)研究[J]．核動(dòng)力工程，2005，26（4）：344-347+359．

[8]Hsiao KY，Wu CY，Huang Y T．Fluidmixing in amicrochannelwith longitudinalvortex generators[J]．Chemical Engineering Journal，2014，235：27-36．

[9]張葳，蘇梅，宋克偉，等．圓管管翅散熱器肋側(cè)主流方向絕對(duì)渦通量研究[J]．工程熱物理學(xué)報(bào)，2011，32（10）：1734-1736．

[責(zé)任編輯 田豐]

Theeffectsof arrangementof longitudinalvortex generatorson the flow and heat transfer in the rectangular channel

CAI Nan，TAIN Li-ting，M IN Chun-hua，QICheng-yin，LIPing

(Schoolof Energy and EnvironmentalEngineering,HebeiUniversity of Technology,Tianjin 300401,China)

The heat transferperformanceand flow resistancecharacteristicsof theasymmetricarrangementof the rectangularwinglet longitudinalvortex generatorsin the rectangularchannelsare studied throughnumericalsimulation.Results show thatat Re=500～2000,comparingwith thesymmetricarrangementof the longitudinalvortexgenerator,theNusselt numberof theasymmetric arrangementof the longitudinalvortex generator only decreased 4%～6%,while the friction factor f decreased 11%～22%.The effect of flow drag reduction is very obvious.The asymmetric arrangement of the longitudinal vortex generators show s the overall thermal performance isbetterw ith the increase of/by 5%～20%.

longitudinal vortex generator;asymmetric arrangement;absolute vorticity flux;flow drag reduction; numericalsimulation

TK 124

A

1007-2373(2015)01-0060-06

10.14081/j.cnki.hgdxb.2015.01.012

2014-09-09

國家自然科學(xué)基金（51106041）

蔡楠（1988-），男（漢族），碩士生．通訊作者：田麗亭（1979-），女（漢族），講師，Email：lttian@hebut.edu.cn．

數(shù)字出版日期：2015-01-24數(shù)字出版網(wǎng)址：http://www.cnki.net/kcms/detail/13.1208.T.20150124.0936.001.html