（工程热物理专业论文）纵向涡发生器强化竖直平板自然对流换热的研究.pdf

摘要 摘要 纵向涡发生器作为一种无源强化技术，因为其强化效果明显，制造 安装简单方便，被许多学者进行过深入的研究，但是大多数研究成果都 是关于纵向涡发生器对通道内强迫对流换热影响的研究，结果表明对于 通道内强迫对流换热纵向涡发生器有着较好的强化换热效果。通过对纵 向涡发生器强化机理的分析，其对于自然对流的换热应该有不错的强化 换热效果。 本文首先通过实验研究了直角三角翼对纵向涡发生器强化恒热流竖 直平板自然对流换热效果。然后利用数值模拟计算软件对实验进行了模 拟，并进一步通过数值模拟研究了直角三角翼对纵向涡发生器的几何参 数对强化换热效果的影响。 实验结果表明：直角三角翼对纵向涡发生器对恒热流竖直平板自然 对流层流区域换热有较好的换熟强化效果，而对于湍流区域效果不明显。 层流区域换热强化效果的好坏与当地层流边界层的厚度有关系，层流边 界层厚的地方纵向涡发生器的强化换热效果好，层流边界层薄的地方强 化换热效果差。虽然直角三角翼对纵向涡发生器对竖直平板自然对流整 体有较好的强化效果；但是，在纵向涡发生器前的很小范围内和相邻两 纵向涡发生器之间的区域里，却使得换热恶化。通过纵向涡发生器的错 列布置可以解决这些问题。直角三角翼对纵向涡发生器强化换热时，存 在最佳攻角。本实验条件下，在自然对流层流区域内，1 0 m m x 2 0 m m 直角 三角翼对纵向涡发生器最佳攻角在4 0 。左右。直角三角翼对纵向涡发生 器的最佳攻角应满足以下条件：a 纵向涡发展充分且完整。b 纵向涡对 之间的相互影响适合。几何相似的直角三角翼对纵向涡发生器有着相近 的最佳攻角。直角三角翼对的翼高是影响换热效果的重要因素。本实验 条件下，对于底边长为2 0 m m 攻角4 5 。直角三角翼对，r a = 6 4 2 e + 0 7 时， 最佳翼高为15 m m ；r a = 8 8 e + 0 7 时，最佳翼高为2 0 m m ，这表明最佳翼高 与当地层流边界层厚度有关。在直角三角翼对涡发生器组中，过小的横向 间距将削弱纵向涡的换热效果最小横向间距与纵向涡发生器产生的纵 向涡大小有关，最小横向间距应保证相邻纵向涡旋没有显著的干扰。在 元件数量，布置方式，和其他条件相同情况下，纵向涡发生器强化换热 的效果要优于矩形低肋。 自然对流换热广泛存在于工程应用中，利用纵向涡发生器强化自然 对流，强化效果明显，无需额外的能量消耗，制造安装简单，是一种非 常经济的强化换热手段，具有良好的应用前景。 华南理t 大学工学硕士学位论文 关键词：强化换热，自然对流，纵向涡发生器 a b s t r a c t l o n g i t u d i n a l v o r t e x g e n e r a t o r ( l v g ) i s ak i n do fh e a t t r a n s f e r e n h a n c e m e n tt e c h n o l o g yw i t h o u te x t r ap o w e r l v gh a sw e l le f f e c to nh e a t t r a n s f e re n h a n c e m e n ta n di s e a s i l ym a d ea n di n s t a l l e d ，s om a n ys c h o l a r s h a v es t u d i e dl vg b u tm o s to ft h e s es t u d i e sa r ea b o u tt h a tl v ge f f e c t s f o r c e dc o n v e c t i o ni nac h a n n e l ：a n dt h er e s u l t so fs t u d i e ss h o wt h a tl v g h a s w e l lh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n to nf o r c e dc o n v e c t i o ni nac h a n n e l a f t e r a n a l y z i n gw h yl v g c a ne n h a n c eh e a tt r a n s f e r ，t h e g u e s sc a nb eg e tt h a t l v gc a na l s oh a v ew e l le f f e c to nt h ev e r t i c a ln a t u r ec o n v e c t i o n f i r s t l y t h i s p a p e rf o c u s e so nt h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo fh e a tt r a n s f e r e n h a n c e m e n ti nt h ev e r t i c a ln a t u r a lc o n v e c t i o nb yd e l t a w i n g l e tl v g t h e n w es i m u l a t et h e s e e x p e r i m e n t sb yu s i n g p h o e n i c ss o f t w a r e ，a n dt h e r e s u l t so ft h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nc o i n c i d ew i t he x p e r i m e n t s t h e r e f o r ew e u s et h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nt oo p t i m i z et h eg e o m e t r i cp a r a m e t e r so ft h e d e l t a w i n g l e tl v g e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w ：u n d e rt h el a m i n a rf l o w ，d e l t a w i n g l e tl v g h a sw e l le f f e c to nh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t ；b u tu n d e rt h et u r b u l e n c e t h e e f f e c ti sn o te v i d e n c e a n du n d e rt h el a m i n a rf l o w ，t h ee f f e c tw i l lb eb e t t e r a st h eb o u n d a r yl a y e ri st h i c k e r d e l t a w i n g l e tl v g w h o l l ye n h a n c eh e a t t r a n s f e ro ft h ev e r t i c a ln a t u r ec o n v e c t i o n ；b u ti nt h es m a l lr e g i o nb e f o r et h e l v ga n dt h er e g i o nb e t w e e nt h et r a n s v e r s el v g s ，t h eh e a tt r a n s f e rb e c o m e s w o r s e t h i sp r o b l e mc a nb er e s o l v e db yi n s t a l l i n gl v gi nd i s o r d e r t h e r ei s a no p t i m a la t t a c ka n g l ew h e nd e l t a w i n g l e tl v gi su s e dt oi n t e n s i f yt h eh e a t t r a n s f e r i nt h i s e x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n ，t h eo p t i m a l a t t a c k a n g l e o ft h e 10 m m 2 0 m m d e l t a - w i n g l e tl v g si so ft h eo r d e ro f4 0 0 a n dt h eo p t i m a l a t t a c k a n g l ed e l t a w i n g l e t l v gs h o u l d s a t i s f y t h e s ec o n d i t i o n s ：a 1 0 n g i t u d i n a lv o r t e xd e v e l o p ss u f f i c i e n t l ya n dc o m p l e t e l y b t h ei n f l u e n c e s b e t w e e nt h ev o r t i c e sa r es u i t a b l e t h e s e d e l t a w i n g l e t s w i t hs i m i l a r g e o m e t r i c a lc h a r a c t e r sh a v et h es i m i l a ro p t i m a la t t a c ka n g l e t h eh e i g h to f t h ed e l t a w i n g l e ti so n eo ft h e i m p o r t a n tf a c t o r s t h a ti n f l u e n c et h eh e a t t r a n s f e re f f e c t i nt h i se x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n ，f o rt h ed e l t a w i n g l e tw h i c h w i d t hi s2 0 m ma n da t t a c ka n g l ei s4 5 。，a sr a = 6 4 2 e + 0 7 ，t h eb e s th e i g h ti s 1 5 m m ：a sr a 28 8 e + 0 7 t h eb e s th e i g h ti s2 0 m m ，t h e s er e s u l t ss h o wt h a t t h eb e s th e i g h tisr e l a t ew i t ht h et h i e ko ft h e1 0 c a lb o u n d a r y1 a y e r 华南理工大学_ t 学硕士论文 i nt h e d e l t a w i n g l e ta r r a y s ，t o os m a l lt r a n s v e r s es p a c ew o u l dw e a k e nt h e h e a tt r a n s f e re f f e c to ft h el o n g i t u d i n a lv o r t i c e s t h es m a l l e s tt r a n s v e r s e s p a c es h o u l de n s u r et h a tt h et w oc l o s el o n g i t u d i n a lv o r t e x e sd o n te v i d e n t l y d i s t u r b l v gw i l lb eb e t t e rt h a nt h er e c t a n g l er i b ，a st h eq u a n t i t yo fu n i t s a n dt h em e t h o do fc o l l o c a t i o na n do t h e rc o n d i t i o n sa r es a m e n a t u r ec o n v e c t i o n h e a tt r a n s f e ri s w i d e l y e x i s t e di nt h e p r o j e c t a p p l i c a t i o n u s i n g t h el v ge n h a n c e st h en a t u r ec o n v e c t i o nh e a tt r a n s f e r ， t h ee n h a n c e m e n te f f e c ti sm a r k e d ，n oe x t r ap o w e ri sn e e da n di se a s i l y i n s t a l l e d l v gi sav e r ye c o n o m i c a lm e a n so fh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n ta n d h a sag o o df o r e g r o u n di na p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：h e a t t r a n s f e re n h a n c e m e n t ；n a t u r a lc o n v e c t i o n ；l o n g i t u d i n a l v o r t e xg e n e r a t o r i v 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立 进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内 容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成 果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人 承担。 作者签名： 王涛 日期：踟一p 年占月f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的 规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学 可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密囱。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 日期：z 一一f 年月，日 日期：l 一。p 年占月5 日 0 踞 磁酆 物理量名称和符号表 物理量名称和符号表 说明 换热面积 密度 导热系数 动力粘度 运动粘度 换热量 温度 形状 涡发生器的攻角 对流换热系数 实验板长 涡发生器距实验板底部的距离 翼对前端距 平均努谢尔特数 雷诺数 普朗特数 瑞利数 对流 辐射 实验板 环境 v 单位 m 。 m 3 k g w ( m k 1 p a s m ，s j w ( m 2 、 m m m m m m 号 。 褂a。、u。q l八。l。 赢 n n鼬下一w 第一章绪论 1 1 研究背景与意义 第一章绪论 强化换熟是传热学中一个古老而又生机勃勃的研究领域。它所研究 的问题与我们的生活，生产紧密联系。小的如计算机c p u 的散热，取暖 器的散热；大的如在动力生产、化工生产中的热量交换，都是强化换热 所涉及的问题。如果说传热学的目的是研究热量传递规律的科学，那么 强化换热的研究任务是如何提高热量传递的能力，以达到用最经济的设 备来传递规定的热量，或是用最有效的冷却方式来保护高温部件的安全 运行，或是用最高的热效率来实现能源合理利用的目的。随着人类对能 源需求的不断增大、能源危机的日趋严重，在不断寻找新能源的同时， 强化换热作为提高能源利用效率的研究也日趋受到重视，其次，随着航 空、航天及核聚变等尖端技术的发展，各种热设备的工作温度也在不断 提高，如何保证这些热设备能够有足够长的工作寿命和在高热效率条件 下安全运行，以及随着电子技术的发展。密集布置的大功率电子元件的 有效冷却，都需要强化换热技术的研究和发展，因此自上个世纪6 0 年代 以来，强化换热技术的研究得到了蓬勃地发展，不断有新理论和新成果 出现1 1 2 课题的提出和任务 1 2 1 强化对流换热 对流换热是指流体流过另一物体表面时对流和导热联合作用的热量 传递过程。是我们生产、生活中所遇到的最主要的热量传递过程。对流 换热可分为强制对流、自然对流、混合对流、沸腾换热、凝结换热。对 流换热的强化方法可以概括的分为： 一、无源强化技术，主要包括： 1 处理表面：利用烧结的金属丝网、机械加工或电化学腐蚀等方法， 将传热表面处理成多孔表面或锯齿型表面。目的是为了增加液体的汽化 中心及气泡的脱离速度，或者是促进凝结液快速排走以免凝结液膜增厚 而增加蒸汽与传热面之间的热阻。多用于凝结换热和沸腾换热的强化。 华南理工大学t 学硕士学位论文 2 粗糙表面：粗糙元形状各异有砂粒型三元粗糙面、螺旋肋、重复 肋和沟槽，应用粗糙元的目的是增强近壁区流体的湍流度、减少粘性底 层厚度以降低热阻而不是增加传热面积，般应用于通道的对流换热强 化 3 发展表面：发展表面的翅片高度一般较粗糙表面要大得多，主要 目的是增加换熟面积。发展表面不论对湍流换热还是层流换热都有可观 的增强换热作用。翅片的形状、角度、几何尺寸和材料性质对发展表面 的传热特性都有明显的影响。 4 涡流发生器：在传热流道入口处或整个流道中放置扭曲带、螺旋 叶片或静态混合器，可以使流道内的层流运动产生强烈的径向涡流运动， 从而有效的提高流道内的层流换热。对于层流换热的强化效果要好于湍 流。 5 螺旋管和扭曲管：流体在弯曲或扭曲的流道中所产生的与主流方 向垂直的二次流动，能够有效地增强层流状态下的换热过程。 6 绕流装置：圆型或椭圆型的绕流柱垂直布置于流动方向，不仅可 以对流动产生很大的扰动作用，而且还能增加传热面积。 7 射流冲击：利用压差使单相流体沿法向或斜向喷射到高温表面， 以到达冷却的目的。 8 添加物：在气体传热介质中掺加固体颗粒，可以增强传热介质的 热容量并且提高其换热系数 二、有源技术，主要包括 1 。机械搅动：利用机械传动的各种搅拌器，以加强高粘度流体的混 合过程，同时也加强了流体与加热器之间的对流换热。 2 表面振动：传热表面振动能够直接破坏边界层而获得传热的增强。 换热器中细长的传热管束和核反应堆中的释热元件在流体流动时会产生 振动，既增强了传热过程，也会导致管子断裂。因此，对于传热面的振 动必需加以研究和控制。 3 流体振动：利用流体脉动装置使流体在管内产生脉动。可以使临 界r e 数提前，使工质可以在较小r e 数下达到湍流，从而强化换热。 4 电磁场：利用外加的直流或交流电场或磁场影响流体，电荷运动 可以显著地改变流体的运动规律并加强流体的混合过程。对于层流和沸 腾、凝结换热有着不错的换热效果。对于湍流和过渡区影响很小。 5 喷入或吸出：利用多孔壁面喷入和吸出流体以控制传热过程的进 行。对于层流流动，通过多孔壁面吸出的流体使管内层流运动产生湍动， 是层流换热得到强化的根本原因。对于湍流流动，通过多孔壁面喷入与 第一章绪论 吸出的流体，使两侧的流体有了工质的交换，促进了换热。 此外，还有两种或两种以上的强化措施同时应用的，例如在螺旋管 内再加入扭曲带等插入物，被称为复合强化技术。从强化传热各种措施 来看，研究得最多是各种发展表谣、粗糙表面和涡流发生器强化。各种 强化换热方式的机理，大多是通过扰动主流体、破坏、减薄边界层，增 大换热表面等方面来增强传热的。通过对不同强化换热方式的比较，发 现不同的强化换热方式适合于不同的工质和工况。例如；有源强化对自 然对流和层流有较好的强化效果，而对湍流流动时的对流换热强化效果 不明显。因此。必须根据具体情况合理选择强化换热方式。 1 2 2 纵向涡基本概念 真实流体总是具有粘性，流体内部之间的相互摩擦和流体的分离，会 使流体绕着自身轴线作旋转运动。流体绕着自身轴线的旋转运动就是一 般意义上的涡。涡按照涡旋的旋转轴与主流方向的关系可分为： 纵向涡( l o n g i t u d i n a lv o r t e x ) ：涡旋的旋转轴与主流方向一致。有一 定攻角的三角翼可以产生典型的级向涡，见图1 1 ， 图1 1 ：纵向涡 f i g1 1 ：l o n g i t u d i n a lv o r t e x i 图1 - 2 ：横向涡 f i g l 一2 ：t r a n s v e r s ev o r t e x 横向涡( t r a n s v e r s ev o r t e x ) ：涡旋的旋转轴与主流方向垂直。无限长 的圆柱后，分离剪切层后形成的卡门涡街就是典型的横向涡，见图l 2 。 单独的纵向涡是不可能产生的，一定伴随着横向涡的产生。纵向涡的 结构与一般流体流场结构不同，它不但具有轴向速度分量，还具有切向速 度分量。管内有旋流时，切向速度的分布有其自身规律，即在靠近壁面 3 华南理工大学工学硕士学位论文 区域，切向速度随径向距离增大而降低，离壁面稍远的流体质点，因受 较大离心力向壁面移动，这样流体团被甩向了壁面，因此，在靠近壁面 的流体中，离心力的作用将使流体混合加强，减少层流底层的热阻，显 然对强化换热有利。从分子运动方面来看，旋流离心力明显加强了分子 的扩散作用，也使流体换热增强。在涡脱离发生器处，流体的旋流强度 最大，之后沿流动方向逐步衰减。纵向涡旋的衰减主要是由于沿着主流 方向，流体的粘性使二次流在质量传递过程中的能量耗散和上下壁面的 摩擦作用引起的。当一对纵向涡发生器对称布置时，可以使流过的流体 产生一对旋转方向相对的纵向涡，即纵向涡偶。这对相邻的纵向涡之间， 产生的二次流速度同向，指向壁面，叠加而成的二次流速度比单个纵向 涡旋要大，而在两涡交界处的法向速度梯度为零，所以涡偶的粘性耗散 比单涡小，对流体流动结构的影响比单涡要大，并且涡偶比单涡衰减慢， 可在纵向持续更长的距离，对换热产生更大的影响。 1 2 3 纵向涡强化换热的机理简介 纵向涡强化换热属于无源强化对流换热技术中的涡流发生器强化技 术，纵向涡旋转可以使贴近壁面的流体速度改变，同时还改变了整个流 体的流动结构。增加了旋转流体的流动路径，使流体在换热面停留时间 延长，加强了边界层流体的扰动以及边界层流体和主流流体的混合，因 而使传热过程得以强化，其强化换热的机理主要在于： 1 热边界层的分离 纵向涡发生器可以产生与主流方向垂直的二次流动，使流体产生强 烈的径向运动以加强流体整体的混合，加强了传热传质过程，大大降低 了主流的速度梯度和温度梯度，即这种二次流有效的破坏了流动和热边 界层，加强了边界层内的扰动，减薄了边界层的厚度。 2 流场的不稳定和湍流度的加强。 由于流体会在纵向涡发生器的前缘产生周期性的纵向涡旋，后缘产 生边界层分离后的回流区，因此纵向涡发生器会引起整个通道内流体的 脉动。对于高粘度流体和非牛顿流体的层流流动，流体脉动对换热系数 的提高基本没有影响，而对于气体换热介质的脉动，则可以有较好的强 化换热。例如气体做层流运动时，如果频率f 小于2 h z ，换热效果反而 低于无脉动的情况；当频率f 大于5 h z 后，换热系数可以高于无脉动的 情况，并且随着脉动频率的增大而继续提高，当f 等于1 2 h z 时，比无脉 动时换热系数提高了4 4 。另外，由于脉动的产生，可以使气流在r e 4 第一章绪论 数低于2 3 0 0 时就变成湍流运动，降低了由层流向湍流过渡的临界雷诺 数，这样提前到来的湍流可以明显地使换热效果增强。 我国学者过增元【2 对对流换热的物理机制提出了新的理论一场协 同理论，认为对流换热可以等效于有内热源的导热问题。热源项的大小 决定了对流换热的强度，而热源项的大小不仅取决于换热温差、流体的 速度和流体的物性，还取决于流体速度场和热流场协同的程度，即速度 矢量和热流矢量夹角a 的大小。当a 值小于9 06 时，a 值越小。对流换 热的强度越大。按照场协同理论，纵向涡强化换热机理可以解释为：在 没有加纵向涡发生器时，流体的速度方向平行于换热面，而温度梯度接 近垂直于换热面，这样速度与温度梯度的夹角接近于9 0 。，换热效果较 差：加了纵向涡发生器以后，纵向涡使流体有了垂直与换热面的速度分 量，从而改变了速度的方向，使褥速度矢量与热流矢量的夹角变小，即 n 值变小，从而增大了对流换热系数，使换热增强。 1 2 4 纵向涡发生器 纵向涡的产生需要利用纵向涡发生器( 1 0 n g i t u d i n a lv o r t e xg e n e r a t o r ， 简称l v g ) 。当壁面附近的流体流经具有定攻角的纵向涡发生器时， 由于发生器上下的压力差导致流体在发生器的前缘发生边界层分离，在 分离区形成纵向涡旋；在纵向涡发生器的后缘，由于压力的急剧上升会 审- 图1 3 ：流体流过纵向涡发生器的速度示意图 f i gl 一3 ：v e l o c i t yo ft h ef l u i dt h r o u g ht h el v g 诱发流体分离产生回流区，在回流区也会产生纵向涡旋。下面以流体流 过直角三角翼纵向涡发生器为例，说明纵向涡的产生。如图1 3 所示 当流体沿着箭头方向流经直角三角翼纵向涡发生器时，直角三角翼是布 5 华南理工大学工学硕士学位论文 置在壁面上的，与壁面的连接处处于速度边界层内，现在考虑正对着直 角三角翼的一束柬流，当来流冲击直角三角翼表面时，在三角翼上形成 一条驻线。在这条驻线上，速度势转变为压力势，使得压力升高，所以 沿此驻线方向必然有一个指向平板壁面的压力梯度存在，在这个压力梯 度的作用下，会在直角三角翼后形成纵向涡。为了方便说明后缘产生回 流区，把主流速度分解成：一个平行于翼片的分速度v 。和垂直于翼片的 分速度v 2 。v 1 对产生纵向涡流作用不大。当流体以分速度v 2 沿涡发生 器外侧流过纵向涡发生器的末端时，相当于流体在突扩流道内流动的情 况，流体会在纵向涡发生器内侧产生一个回流区，回流区对应的旋度矢 量分解到主流方向w i 和垂直主流方向w 2 涡旋在两侧流体的携带作用下 向下游传播并发展。由流体的主流运动和w 1 所代表的涡旋运动的合成 运动就是所谓的纵向涡旋运动。纵向涡发生器使边界层分离所形成的涡 旋与流体剪切层的相互作用使流体湍流度增强，而且分离流体与壁面重 新接触，效果如同一股射流冲击在换热面上，使邻近的流体换热强度提 高。纵向涡发生器强化传热的同时，也会带来阻力的相应增加。阻力增 加的原因主要有以下三点：一、出纵向涡发生器引起流动边界层的分离 造成的流动阻力。二、是纵向涡旋的切向运动，切向运动克服壁面剪切 应力的流动损失。三、摩擦面积的增加造成了压力损失。由于纵向涡发 生器是对靠近壁面处的部分流体作用，而不是要引起全部流体旋转，所 以纵向涡发生器要b b 湍流发生器引起的阻力增大的程度要小的多。 纵向涡发生器的类型很多，有很多种形式，图1 4 是几种不同形式的 纵向涡发生器。 图1 4 ：不同形式的纵向涡发生器 f i gl - 4 ：d i f f e r e n tt y p e so fl o n g i t u d i n a l 但根据国内外许多学者的大量理论和试验研究表明，三角翼( d w ) ， 矩形翼( r w ) ，三角翼对( d w p ) ，矩形翼对( r w p ) 是常见较理想的 纵向涡发生器。因为他们不但制造，安装简单方便，而且强化效果明显。 第一章绪论 1 2 5 国内外的研究工作与进展 由于纵向涡发生器强化效果明显，制造安装简单方便，在国际上被普 遍认为是一种有前途的强化传热方法之一。因此对利用纵向涡发生器进 行强化换热以及纵向涡的特性被国内外学者进行了广泛的研究，特别是 关于通道内强迫对流换热的研究。关于纵向涡旋发生器用于强化传热的 论文最早发表于1 9 6 9 年，作者j o h n s o n 和j o u b e r t 研究了装有直角三角 翼纵向涡旋发生器的圆管的横向换热。实验结果表明，纵向涡旋发生器 使局部n u 数最多增大了2 0 0 ，但是由于圆管表面上其它一些地方的换 热被消弱，总体的换热效果并不理想。他们认为局部强化是由于热混合 得到了加强，而圆管表面其它一些地方的传热消弱是因为在纵向涡发生 器后回流冲击作用的减弱。从上世纪8 0 年代至今，纵向涡流发生器强化 换热的研究得到了广范的关注，国内外的研究者都取得很多成果，现介 绍一些新的研究成果和尝试： a 纵向涡结构和流动特性 清华大学的王家禄等对纵向涡对近壁湍流的影响做了深入的研究旧j 。 他们用激光测试方法研究了单涡、上洗双涡、下洗双涡各自对近壁湍流 的影响。实验在水槽中进行，平均流速为u = 3 8 c m s ，对应雷诺数r e = 5 0 0 0 。 首先测量了空直槽的流动情况。此时平均流向速度基本上沿着水稽中 心线左右对称，中心线附近的平均速度比较平坦，而在壁面附近的速度 沿着展向是按指数规律变化。湍流度在槽中心线附近较低，变化平缓， 在壁面附近湍流度较高。 单涡作用时，涡发生器加装在槽道内壁面。在内壁面附近，涡的上洗 区，流向速度较低，由于涡的诱导作用，这部分低速流体远离壁面，而 且湍流度较高；涡的下洗区，流向速度较高，高速流体在涡的作用下流 向壁面，湍流度较低。 上洗双涡作用时，由于双涡涡旋方向向反、共同诱导，使两涡间的上 洗区低速流体远离内壁面，流向槽道中央，因此两涡之间的流量急剧减 少，在中间，流向速度达到最低点，而与此相反在涡两侧形成的下洗区 形成高速区域，并贴近壁面。 下洗双涡作用时，两涡之间的下洗区，流体流速很高。两涡外侧上洗 区低速流体远离内壁面，宽度较宽，且变化平坦。 山东工业大学的宋宪耕等研究了对处于湍流边界层的矩形通道内嵌 7 华南理工犬学工学硕士学位论文 入涡发生器和涡发生器组，使之形成纵向涡旋和涡偶，对双侧壁面边界 层干扰的湍流流动特性进行实验研究 4 1 。研究表明矩形通道湍流边界层 内嵌入半三角翼涡发生器的湍流流动特性，与安装涡发生器的当地边界 层厚度6 和涡发生器高度、后掠角及攻角有关；最理想的涡发生器参数 是高度1 4 56 、后掠角7 5 0 、攻角2 5 。涡发生器将主流质量和动量引入 两侧壁面的近壁边界层中，对其流场结构产生严重的影响，速度增大的 区域大于速度减小的区域。涡偶的影响区域和强度都比单涡大，而且传 播的距离较远，可在9 5 倍涡发生器当地边界层厚度纵向距离内形成稳定 的涡偶。涡发生器使流动阻力增大，单涡比无涡增大1 9 ，嵌入涡偶后 通道流动阻力的相对增加量近似与涡发生器的个数成比例。 h i r o m i c h i 和y a s u a k i 研究了不同的分离条件下，在楔形物体后大涡 旋形成的机理p l 。他们发现，在其定义的涡旋形成区域的末端，涡旋得 到了充分发展。与滞止点相应的流动鞍点存在与涡旋发生区的边界，且 在此点上大涡旋将分割壁面剪切层。 s u s a n n el a u 使用四通道x 型涡探头的热线风速仪测量了布置有纵 向涡发生器阵列的矩形通道内的纵向涡旋的平均速度，平均压降和平均 动能【6 。结果表明湍动能最大的部分在涡的核心区。 j z h u 对通道内布置l v g 的流动压降特性进行了实验和数值模拟研 究 7 1 。结果表明翼形纵向涡发生器可以增强流场的涡流，消弱回流区， 阻力损失增大显著( 约增大8 0 一1 0 0 ) 。 b 纵向涡发生器换热特性 影响纵向涡发生器换热特性和流体流动特性的主要因素有以下几 个：纵向涡发生器的形状，纵向涡发生器的攻角大小，布置多排纵向涡 发生器组时纵向涡发生器的间距，纵向涡发生器的相对高度。许多学者 对这些因素进行了深入的研究。 u d ob r o c k m e i c r 等对纵向涡在层流下的传热和流体动力学数据进行 了计算【8 】。计算结果表明，纵向涡对产生了一对旋向相反的纵向涡旋， 涡旋具有分岔轴，并且在流向的横截面上有强烈的偏心性。涡旋引发流 体产生涡旋核心和壁面之间的流体交换，增加了壁面处的温度梯度。这 样纵向涡旋就引起了局部换热峰值以及整个通道内的换热系数明显增 加。同纵向涡发生器自身的表面积相比，换热强化区域要大的多，同时， 还指出各个流向横截面内的平均n u 数在一定范围内随着r e 数和攻角单 调增加的，换热峰值出现在发生器后缘附近，在高r e 数和大攻角时，整 个通道内换热效果明显。如r c = 4 0 0 0 、攻角3 0 度、通道面积是发生器 面积4 5 倍时，在发生器下游x = l l c m 处的换热效果还有7 0 。这样的 8 第一章绪论 结果对于紧凑型换热器而言具有特别重要的意义，可以通过换热的增强 使得换热面积显著减小，降低了生产和运行成本，具有更好的经济性。 f i e b i g 指出纵向涡发生器可以通过在换热表面上压印、模铸、附加 等方式获得 9 】。涡旋的形式是由特定的基本流型和涡发生器决定。基本 流型有正在发展和完全发展两种流动。涡旋可以增加了动能速率、降低 临界r e 数，改变了流体温度场及在壁面的温度分布；对矩形翼和三角翼 纵向涡发生器进行了比较，结果表明矩形翼和三角翼纵向涡发生器有着 相似的换热特性，涡对的换热效果要比单涡的换热效果好。在r e 数3 0 0 1 0 0 0 范围内比较了纵向涡与横向涡的换热特性，在相同的压力损失下， 纵向涡比横向涡更加有利于管内强化换热，f i e b i g 等还使用非稳态液晶 热相法对矩形通道内单个对称直角三角翼l v g 和一对直角三角翼l v g 的换热效果进行了比较，结果表明对称三角翼l v g 的强化效果要优于直 角三角翼l v g 【l 。f i e b i g 还同过区域法，对区域内完整和部分抛物线形 型的n s 方程和能量方程进行了求解【l ”。对于不可压缩、变密度、小马 赫数情况，应用了修正的s o l a 算法来求解基本方程。结果显示，涡旋 转向相反，并且同无限大边界情况相比，具有偏心椭圆形变形。在攻角 5 0 度附近发生涡旋破裂。通道内，与无涡发生器相比局部换热增加可达 3 0 0 ，但是由于密度受温度的影响关系，这种换热增加要比定物性时略为 减小，如气壁温度比值为1 2 时，换热效果要下降1 0 。 e k i m 和j s y a n g 利用色彩找准( c o l o rc a p t u r i n g ) 技术实验研究 对比了纵向涡发生器涡对顺流布置( c o m m o n f l o w d o w n ) 和逆流布置 ( c o m m o n f l o w u p ) 的换热情况”。顺流布置时，在三个不同的攻角， 纵向涡影响区域中都有两个换热极大值，而逆流布置只有一个极大值存 在。当涡对顺流布置时，产生的纵向涡对流动边界层的影响要强于涡对 之间的相互影响；而涡对逆流布置时，产生的纵向涡对之间的相互影响 要强于对流动边界层的影响。因此，纵向涡发生器涡对顺流布置的换热 特性要好于逆流布置。 t i g g i l b e c k 等人研究了布置了顺列双排对称三角翼l v g 的流场和强 化换热效果 1 3 l 。结果表明流场结构、涡旋数量和涡旋纵向发展情况与来 流性质( 有涡或无涡) 无关，而且第二排后的局部换热强化比第一排显 著。对于双排l v g ，当r e 数为5 6 0 0 时，总的换热系数增大了7 7 。 s t t i g g e l b e c k 研究了r e 数在2 0 0 0 9 0 0 0 ，攻角在3 0 0 一9 0 0 范围内， 在空气通道内壁加装三角翼、矩形翼、三角翼对和矩形翼对四种不同形 式的涡流发生器时，各自的强化传热特性和流动阻力特性“。实验结果 表明，翼对的综合强化换热效果要优于单翼；在r e = 2 0 0 0 时，三角翼对 9 华南理工大学t 学硕士学位论文 使换热增强了4 6 ，而在r e = 8 0 0 0 时，换热增强了1 2 0 。同时，还给 出了展向方向上n u 数的分布：对于三角单翼，两边的涡流区出现峰值， 中间出现凹值。矩形翼对和三角翼对的n u 数分布在结构上相似，但极值 要小，当涡流发生器的底边长与涡流发生器距通道入口的距离的比x x = 1 2 时，三角翼对的效果最佳为5 0 ，其次是矩形翼对，三角翼和矩形 翼。四种涡流发生器中，三角翼对的强化区域最大，矩形单翼的强化区 域最小。翼对的强化效果虽然优于单翼，但是引起的阻力损失也大。在 高雷诺数时，投影面积相同但翼型不同的涡流发生器，引起的阻力损失 也不同，在攻角的影响上，三角翼对的换热极值出现在5 0 。一7 0 。之间， 6 0 0 之前传热随着攻角的上升而增加，因此对于三角翼和矩形纵向涡发生 器而言，各种不同的布置都存在一个换热的最佳攻角，只有此攻角时的 纵向涡发生器换热才是最佳的。随着r e 数的增大，布置有纵向涡发生器 的换热系数增加的速度要比无纵向涡发生器时要快，但在高r e 数时，阻 力系数却不再上升而逐渐趋于定值。 e d w a r d 和a l k e r 研究了不同形状和尺寸的l v g i l5 1 。发现l v g 的形状、 尺寸、间距以及纵向涡对的相对涡旋旋转方向对换热效果有很大的影响， 发现逆向旋转的涡对比同向旋转的涡对换热。 b i s w a s 等研究了通道内布置翅形( w i n gr y p e ) 涡流发生器的换热特 性 1 6 1 。发现翅形的几何参数是决定传热和流阻的主要因数。当r e = 5 0 0 时，布置了翅形涡流发生器后，当涡流发生器的攻角为2 0 0 时，出口处 的平均换热系数增强了约1 0 6 ：当攻角变为3 0 0 时，则增加了2 6 4 2 r e 数对传热的影响也很明显，高r e 数意味着传质的加强，因此也强化了传 热，在出口处，当r e 数由5 0 0 增大到1 8 1 5 时，n u 数增加了约9 8 3 8 y c h e n 等人对带有翅片的椭圆管外被纵向涡发生器组强化换热的 情况进行了数值模拟的研究【1 7 1 。发现在多排的纵向涡发生器组中，后排 发生器后的纵向涡比前排后的纵向涡要强烈，这是由于前排和后排产生 的纵向涡叠加的结果。顾流布置的发生器比逆流布置的发生器换热效果 好。 华南理工大学的姚刚对矩形通道内布置三角形l v g 和矩形l v g 的 对流换热情况进行了研究【1 引。发现无论三角形l v g 还是矩形l v g 布置 涡对比单涡的换热效果好，这是因为涡对间的相互诱导和叠加，产生了 二次流速度同向指向下壁面，形成共同的下洗区，在涡的外侧形成共同 的上洗区，单涡相互之间却没有这样的共同的上下洗区。因此涡对的二 次流速度比单涡要高，影响的区域和强度都比单涡时更大，而且传播距 离较远，在主流方向上可以保持涡对自身的稳定性，衰减较慢，有利于 第一章绪论 强化换热。并且发现当来流超过临界r e 数后，纵向涡强化换热作用有所 下降，这是因为在进入湍流区后，流体的无序扰动对于换热起来主导作 用。通过实验还发现布置两排发生器的强化传热效果优于布置一排发生 器。当增大两排发生器之间的跨距时，换热效果要变好但增加并不明显， 这说明发生器后的纵向涡可以在很长的距离内保持稳定，因此跨距的改 变在其作用范围内，并不能很好的使换热面有明显强化。 天津商学院的吕静等也对矩形通道内布置直角三角翼l v g 的换热 特性进行了实验研究 19 ) 1 2 扪。结果表明在l v g 之后的附近区域的局部换 热系数比平直流道相应位置处提高了一倍。在l v g 强化换热时，存在最 佳冲击角，在本实验条件下，最佳冲击角为6 0 0 。宽高比是构成强化元 件的几何形状因子，在有限空间流道内，固定翼高，增大翼宽或固定翼 宽、增大翼高均可使换热效果增强。当纵向涡发生器的相对高度h d 较 小时，流体的旋转作用并不明显，换热效果不好；增加纵向涡发生器的 相对高度后，产生的纵向涡半径增大，旋涡强度增大，对换热影响明显 增强。还将l v g 同扰流柱和矩形低肋的换热特性进行了比较，结果表明 在相同条件下，l v g 强化换热的效果优于扰流柱和矩形低肋，流动阻力 有所增加，但是综合强化传热性能指标a 优于矩形低肋和扰流柱，在消 耗相同的风机功率下，布置直角三角翼纵向涡发生器时的换热系数时扰 流柱的3 5 倍。 华南理工大学的栗艳对空气圆管内布置纵向涡发生器的换热情况进 行了实验研究”“。作者设计出了适于管内安装的两种弧形底边不同三角 形状的纵向涡发生器，并对两种不同形状的纵向涡发生器的换熟效果进 行了比较，发现所设计的2 型发生器比另一种n u 数增加了1 0 ，这说 明三角形发生器的形状是影响传热效果的重要因数之一。2 型纵向涡发 生器产生的纵向涡的沿管道轴向的影响区域是发生器高度的7 9 倍。在 纵向涡的影响区域之内，纵向涡发生器组的纵向间距减小，传热强化增 幅很小，却使阻力明显增大；在单个纵向涡的影响区域之外，间距减小， 传热增强，阻力相应增加。随着r e 数的增大，不同间距设置纵向涡组的 管内强化传热差别很大，而阻力系数的变化不大。 中原工学院的孙昆峰等对水平矩形通道内纵向涡强化传热进行了数 值计算研究”“。结果表明，矩形纵向涡发生器对的传热强化效果与翅前 端距有很大关系，存在一个最佳的翅前端距，在最佳的翅前端距情况下， 换热强化效果最好，压降也较小。 河北工业大学的齐承英等对纵向涡发生器的结构提出了新的设计形 式一斜截椭圆柱纵向涡发生器【2 ”。并在较大的r e 数范围内将其与一些 华南理工大学工学硕士学位论文 常见的纵向涡发生器( 直角三角翼、梯形翼、矩形翼、斜截圆柱体) 在 平直流道进行了对比性实验，以全面评价其强化传热的效果。实验结果 表明，( 1 ) 斜截椭圆柱体和矩形翼强化换热的效果比其它几种要好，最 高局部换热系数均达到平直流道的4 3 倍，平均n u 数是平直流