換熱通道內(nèi)縱向渦干涉及其流動(dòng)與強(qiáng)化傳熱特性數(shù)值研究.pdf

1、不斷改進(jìn)和發(fā)展新的強(qiáng)化傳熱技術(shù)不僅有助于提高緊湊式換熱器的性能而且是節(jié)能的必然要求。含有縱向渦的流動(dòng)是流體動(dòng)力學(xué)和傳熱中的一個(gè)重要物理現(xiàn)象，是一種有效的強(qiáng)化換熱流動(dòng)結(jié)構(gòu)?？v向渦是指渦的旋轉(zhuǎn)軸與流動(dòng)方向或主流方向平行的渦，因其能以相對(duì)較小的阻力損失獲得較大的強(qiáng)化傳熱效果，在管翅換熱器翅片強(qiáng)化傳熱技術(shù)中被廣泛應(yīng)用?？v向渦的強(qiáng)化傳熱效果與縱向渦的強(qiáng)度有關(guān)，由于縱向渦在傳輸過(guò)程中強(qiáng)度不斷衰減，為提高換熱器通道內(nèi)縱向渦的強(qiáng)度，通常要按一定規(guī)律布置

2、多個(gè)縱向渦產(chǎn)生器。渦產(chǎn)生器布置方式不同時(shí)，在通道內(nèi)形成縱向渦的旋轉(zhuǎn)方向也不同。當(dāng)通道內(nèi)縱向渦間距離較近時(shí)，相同旋轉(zhuǎn)方向和相反旋轉(zhuǎn)方向縱向渦之間就存在不同程度的相互干涉，干涉影響到縱向渦的強(qiáng)度及其強(qiáng)化傳熱效果。由于縱向渦受到渦產(chǎn)生器的形狀、參數(shù)、布置方式、攻擊角、翅片間距等較多參數(shù)的影響，因此縱向渦運(yùn)動(dòng)較為復(fù)雜。一直以來(lái)對(duì)縱向渦的研究主要集中在應(yīng)用上，而對(duì)縱向渦干涉流動(dòng)結(jié)構(gòu)、縱向渦干涉對(duì)縱向渦強(qiáng)度和強(qiáng)化傳熱的定量研究較少。較早研究中由于缺

3、乏縱向渦強(qiáng)度描述參數(shù)，關(guān)于縱向渦應(yīng)用的研究大多忽略了縱向渦之間的干涉，使得對(duì)渦干涉的研究主要停留在實(shí)驗(yàn)觀察和定性分析層面上。因此，研究縱向渦干涉對(duì)流動(dòng)與傳熱的影響有助于對(duì)渦干涉及其強(qiáng)化傳熱機(jī)理的深入認(rèn)識(shí)，對(duì)進(jìn)一步提高換熱器的性能具有重要意義。本文首先對(duì)二次流強(qiáng)度無(wú)量綱數(shù)Se進(jìn)行了定義并分析了Se描述二次流強(qiáng)度的普遍適用性，定義了用于描述縱向渦間干涉的參數(shù)干涉系數(shù)Ir；然后以機(jī)車車輛中采用渦產(chǎn)生器強(qiáng)化傳熱技術(shù)的換熱器為研究對(duì)象，通過(guò) Se

4、定量的研究了換熱通道內(nèi)旋轉(zhuǎn)方向相反、旋轉(zhuǎn)方向相同的兩個(gè)縱向渦之間的干涉以及扁管換熱通道內(nèi)多個(gè)旋轉(zhuǎn)方向相同、相反縱向渦之間的干涉現(xiàn)象；對(duì)相同、相反旋轉(zhuǎn)方向縱向渦間干涉對(duì)流動(dòng)結(jié)構(gòu)、縱向渦強(qiáng)度、強(qiáng)化傳熱、流動(dòng)阻力的影響以及縱向渦干涉與Ir之間的關(guān)系進(jìn)行了詳細(xì)的分析，對(duì)縱向渦間干涉現(xiàn)象有了新的認(rèn)識(shí)。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴來(lái)流中兩個(gè)縱向渦相互干涉時(shí)，旋轉(zhuǎn)方向相反縱向渦的穩(wěn)定性較好，縱向渦干涉時(shí)未發(fā)生融合。而旋轉(zhuǎn)方向相同的兩個(gè)縱向渦相互

5、干涉時(shí)，縱向渦穩(wěn)定性較差，在縱向渦間干涉時(shí)發(fā)生融合現(xiàn)象，干涉后縱向渦融合為一個(gè)縱向渦。⑵渦產(chǎn)生器間距相同時(shí)，旋轉(zhuǎn)方向相同、相反縱向渦之間的干涉程度不同，而旋轉(zhuǎn)方向相反與旋轉(zhuǎn)方向相同縱向渦間完全干涉時(shí)所對(duì)應(yīng)的渦產(chǎn)生器間距以及縱向渦間干涉對(duì)縱向渦強(qiáng)度以及換熱強(qiáng)度的影響也不同。⑶旋轉(zhuǎn)方向相反縱向渦發(fā)生部分干涉并形成明顯的向壁型流場(chǎng)時(shí)，縱向渦間干涉有利于翅片表面?zhèn)鳠?。旋轉(zhuǎn)方向相反縱向渦干涉后形成的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)不同時(shí)，流場(chǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)翅片表面強(qiáng)化傳熱的影響

6、也不相同。相反旋轉(zhuǎn)方向縱向渦干涉后誘導(dǎo)縱向渦間流體流向下翅片表面時(shí)，有利于下翅片表面換熱，而當(dāng)相反旋轉(zhuǎn)方向縱向渦干涉后誘導(dǎo)流體離開下翅片表面時(shí)，不利于下翅片表面換熱但有利于上翅片表面換熱。旋轉(zhuǎn)方向相同的縱向渦間干涉形成的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)不利于翅片表面換熱。⑷縱向渦間發(fā)生完全干涉時(shí)，縱向渦干涉不利于翅片換熱。相同、相反旋轉(zhuǎn)方向縱向渦間完全干涉時(shí)對(duì) Se，Nu和f的影響程度不同。在旋轉(zhuǎn)方向相反的兩個(gè)縱向渦間完全干涉時(shí)，計(jì)算區(qū)域內(nèi)平均縱向渦強(qiáng)度Se最

7、大衰減超過(guò)40％，Nu和f分別減小6%和2%。而旋轉(zhuǎn)方向相同的兩個(gè)縱向渦間完全干涉時(shí)，計(jì)算區(qū)域內(nèi)平均縱向渦強(qiáng)度Se最大減小18%，平均Nu減小不足2.5%，而f基本不變。⑸旋轉(zhuǎn)方向相反的縱向渦間干涉對(duì)等流量、等壓降和等泵功條件下的綜合評(píng)價(jià)準(zhǔn)則 JF的影響最大值分別達(dá)到5.0%，6.0%和6.3%。而旋轉(zhuǎn)方向相同縱向渦干涉對(duì)等流量、等壓降和等泵功條件下的綜合評(píng)價(jià)因子JF的影響很小，最大變化量分別為2.0%，2.3%和2.0%。⑹對(duì)于所研究

8、的扁管換熱器結(jié)構(gòu)，扁管同側(cè)渦產(chǎn)生器產(chǎn)生的縱向渦完全干涉后融合為一個(gè)縱向渦，而不同管排周圍渦產(chǎn)生器產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)方向相反的縱向渦干涉后形成不同流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。渦產(chǎn)生器間距變化對(duì)不同管排周圍旋轉(zhuǎn)方向相反的縱向渦間干涉的影響最大。在旋轉(zhuǎn)方向相反縱向渦間完全干涉時(shí)，Se衰減13%，Nu減小10%，f減小7.6%。⑺扁管換熱器通道內(nèi)旋轉(zhuǎn)方向相反縱向渦間完全干涉時(shí)，對(duì)應(yīng)的渦產(chǎn)生器間距隨著渦產(chǎn)生器攻擊角的增大而減小。通道內(nèi)換熱強(qiáng)度與縱向渦強(qiáng)度有關(guān)，在翅片間距、

9、渦產(chǎn)生器高度、攻擊角、渦產(chǎn)生器間距變化時(shí)，Nu與Se之間存在線性對(duì)應(yīng)關(guān)系，Nu與擬合式之間的最大誤差小于5%。扁管換熱器通道內(nèi)二次流強(qiáng)度決定換熱強(qiáng)度。⑻縱向渦干涉系數(shù)Ir可用于描述縱向渦間的干涉程度。Ir=0時(shí)，縱向渦間完全干涉，Se,Nu和f都達(dá)到最小值；在|Ir|<2時(shí)，縱向渦間的干涉比較顯著；在|Ir|大于2時(shí)，縱向渦間的干涉比較小。而在1<|Ir|<3時(shí)，相反旋轉(zhuǎn)方向縱向渦干涉對(duì)應(yīng)的Nu要大于相同旋轉(zhuǎn)方向縱向渦干涉對(duì)應(yīng)的Nu值，