（工程热物理专业论文）纵向涡发生器应用于热管翅片散热器传热与流动特性研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 热管翅片散热器作为管翅式换热器众多形式的一种，以其良好的传热性能广 泛应用于c p u 等电子设备的散热。气侧热阻是散热器总热阻的主要组成部分， 如何增强气侧的换热以充分发挥热管的良好传热性能成为一个重要课题。纵向涡 发生器作为一种通过改变二次流分布来强化换热的无源强化传热技术，能以较小 的压差损失获得较好的强化传热效果。本文对加装矩形小翼纵向涡发生器的热管 翅片散热器流动和传热特性进行数值计算，并应用p i v 激光粒子成像测速方法研 究了圆柱下游布置矩形小翼纵向涡发生器的流场分布和流动形态。 通过数值模拟讨论热管横向间距、翅片长度、管子纵向偏移量等管翅相对位 置因素对散热器流动和传热特性的影响。模拟结果表明：适当的横向管间距是保 证翅片散热量的重要条件；减小翅片长度，有利于提高单位翅片面积散热量；向 下游适当偏移换热管，可在一定程度上提高整体传热系数，而且小长度翅片相对 提高程度越大。 通过数值模拟研究加装矩形小翼纵向涡发生器对散热器流动换热特性的影 响规律，讨论了纵向涡发生器的迎流攻角、在翅片上的位置、弦长、渐扩渐缩布 置等参数变化对其性能的影响。数值模拟的结果表明：在模拟流速范围内，加装 矩形小翼纵向涡发生器使热管翅片散热器的整体传热因子提高1 5 0 o , - 1 9 ，相应 阻力因子增加3 0 0 o , - 4 2 ；分析加装纵向涡发生器的流道截面等速线图、速度矢 量图和等温图，发现纵向涡改变了流场分布，促进了壁面附近与主流区流体的混 合、减薄了传热壁面附近的热边界层、增加了温度梯度，纵向涡发生器布于换热 管下游，起到抑制、削弱其尾流传热恶化区的作用；在模拟纵向涡发生器迎流攻 角范围内，攻角为3 0 。时纵向涡发生器的综合传热流动性能较佳；纵向涡发生 器后置强化传热效果较好，前置较差，侧置则介于前两者之间；传热因子，和阻 力因子f t 5 3 随纵向涡发生器弦长的增加而呈均匀的增加；迎流攻角3 0 。后置，纵 向涡发生器采用渐扩布置比采用渐缩布置强化传热效果好很多。 应用相似原理安排模型实验，用水流模拟空气的流动。在搭建的有机玻璃水 槽实验台上，通过p i v 激光粒子成像方法，研究了布置攻角为3 0 0 、6 0 0 的矩形 小翼纵向涡发生器以及不布置纵向涡发生器的绕流圆柱的流场分布和流动形态。 实验结果表明：圆柱下游加装矩形小翼不但形成一对旋向相反、左右对称的沿主 山东大学硕士学位论文 流方向向下游发展的纵向旋涡对，而且有抑制或消除圆柱下游回流区的作用；随 着纵向涡发生器迎流攻角的增大，纵向涡轴线与主流方向逐渐成一定夹角，同时 伴随着纵向涡持续强度的下降。p i v 实验测得的流场分布情况与数值模拟结果吻 合，说明了数值模拟的有效性。 关键词：强化传热，热管翅片散热器，纵向涡发生器，p i v n 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t a saf o r mo fv a r i o u st y p e so ff i n a n d t u b eh e a te x c h a n g e r s ，h e a tp i p eh e a ts i n k s f i n dw i d ea p p l i c a t i o ni n a i rc o o l i n go fe l e c t r i c a le q u i p m e n t ss u c ha sc p u sf o rt h e i r g o o dh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c e a i r - s i d et h e r m a lr e s i s t a n c ei st h ed o m i n a n tp a r to f t o t a lt h e r m a lr e s i s t a n c eo fah e a tp i p eh e a ts i n k ，w h i c hm a k e sh e a tt r a n s f e r e n h a n c e m e n to nt h ea i rs i d ea ni m p o r t a n ts u b j e c t l o n g i t u d i n a lv o r t e xg e n e r a t o r ( l v g ) i saf o r mo fp a s s i v et e c h n i q u e ，w h i c he n h a n c e sh e a tt r a n s f e rb ym a n i p u l a t i o no f s e c o n d a r yf l o wd i s t r i b u t i o na tt h ee x p e n s eo fr e l a t i v e l ys m a l lp r e s s u r el o s sp e n a l t y t h i st h e s i sc a r r i e so u tn u m e r i c a lc a l c u l a t i o no nt h ef l o wa n dh e a tt r a n s f e r c h a r a c t e r i s t i c so fah e a tp i p ea n df i nh e a ts i n kw i t hl v g se m b e d e do nt h ef i ns u r f a c e ， a n de m p l o y e sp a r t i c l e v e l o c i t yi m a g e ( p i v ) m e t h o d t o s t u d yt h ef l o w f i e l d d i s t r i b u t i o no faf l o wa b o u tac i r c u l a rc y l i n d e rw i t hr e c t a n g u l a rw i n g l e tl v g sp l a c e d d o w n s t r e a m e f f e c t so nf l u i df l o ws t r u c t u r ea n dh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c so fp a r a m e t e r s w i t hr e s p e c tt of i n a n d - t u b ep o s i t i o n ( t r a n s v e r s et u b es p a c i n g , f i nl e n 尊h ，l o n g i t u d i n a l t u b eo f f s e t ) a r ei n v e s t i g a t e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h er e s u l t so fw h i c hs h o wt h a t ： p r o p e rt r a n s v e r s et u b es p a c i n gi sn e c e s s a r yf o rs a t i s f a c t o r y f i nh e a td i s s i p a t i n g c a p a c i t y ；d e c r e a s i n gf i nl e n 舀hi sb e n e f i c a lf o rh e a te m i s s i o ni n t e n s i f i c a t i o np e rf i n u n i ta r e a ；m o d e r a t et u b es e t o f fd o w n s t r e a mi sh e l p f u lf o ri m p r o v e m e n to ft o t a lh e a t t r a n s f e rc o e f f i c i e n tt os o m ee x t e n t , w h i l et h ei m p r o v e m e n tt r e n di sm o r ea p p a r e n tf o r f i n sw i t hs h o r t e rl e n g t h t h r e e - d i m e n s i o n a ln u m e r i c a ls i m u l a t i o ni s e m p l o y e d t o i n v e s t i g a t ef l o w s t r u c t u r ea n dh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c so fah e a tp i p ea n df i nh e a ts i n kw i t h r e c t a n g u l a rw i n g l e tl v g s e f f e c t s o fl v g p a r a m e t e r s ( a n g l eo fa t t a c k ，l o c a t i o no nt h e f i n ，w i n g l e tl e n g t h ，c o m m o nf l o wu p d o w nl a y o u t ) a r es t u d i e do nf l o wa n dh e a t t r a n s f e rp e r f o r m a n c eo ft h eh e a ts i n k t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ea v e r a g ejf a c t o ri s a u g m e n t e db y15 - - 1 9 ，w h i l ec o r r e s p o n d i n gf f a c t o ri n c r e a s e sb y3 0 0 0 - - 4 2 ，i n c o m p a r i s o nw i t ht h eh e a tp i p ea n df i nh e a ts i n kw i t h o u tl v g s ，f o r r en u m b e rr a n g i n g i i i 山东大学硕士学位论文 f r o m3 7 5t o11 2 5 a n a l y s e so ni s o v e ld i s t r i b u t i o n , v e l o c i t yv e c t o rd i s t r i b u t i o na n d i s o t h e m a ld i s t r i b u t i o no ff l o wp a s s a g es e c t i o n ss h o wt h a tl o n g i t u d i n a lv o r t e x e s c h a n g ef l o ws t r u c t u r eo f t h ef l o wp a s s a g e ，i n t e n s i f yt h em i x i n go ff l u i di nm a i nr e g i o n a n dn e a rt h ew a l l ，t h i nt h et h e r m a lb o u n d a r yn e a rt h ew a l la n di n c r e a s et h e t e m p e r a t u r eg r a d i e n t ，a n dl v g sp l a c e dd o w n s t r e a mo ft u b e sh e l pi n h i b i ta n dw e a k e n t h ew a k er e g i o no ft h ec y l i n d e rw h e r eh e a tt r a n s f e ri sq u i t ep o o r t h ea n g l eo fa t t a c k a = 3 0 0m a k e st h eo p t i m u mc o m p r e h e n s i v eh e a tt r a n s f e ra n dp r e s s u r el o s sp e r f o r m a n c e ； h e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n tp e r f o r m a n c ei sb e s tf o rl v g sp l a c e dd o w n s t r e a mo ft h e t u b e ，m o d e r a t ef o rl v g sp l a c e ds i d eo ft h et u b ea n dw o r s tf o rl v g sp l a c e du p s t r e a m o ft h et u b e ；b o t hja n dff a c t o r sg r o wu n i f o r m l yw i t ht h ei n c r e a s eo fw i n g l e tl e n g t h ； f o rt h ec a s eo fa n g l eo fa t t a c ka = 3 0 0 ，t h ep e r f o r m a n c eo fh e a tt r a n s f e rf o r c o m m o n - f l o w - d o w nl a y o u to fl v g si sm u c hb e t t e rt h a nt h a to fc o m m o n - - f l o w - u p l a y o u t a na p p r o x i m a t em o d e le x p e r i m e n ti sa r r a n g e du n d e rt h ep r i n c i p l eo fs i m i l i t u d e ， u s i n gw a t e rt os i m u l a t et h em o t i o no fa i r p a r t i c l ei m a g ev e l o c i m e t r ym e t h o di s e m p l o y e dt os t u d yt h ef l o ws t r u c t u r eo faf l o wa b o u tac y l i n d e rw i t h o u ta n dw i n l r e c t a n g u l a rw i n g l al v g s ( a = 3 0 0 ，6 0 0r e s p e c t i v e l y ) p l a c e dd o w n s t r e a mi nal u c i t e w a t e rt u n n e l t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tl v g sn o to n l yb r i n gf o r t hap a i ro f l o n g i t u d i n a lv o r t e x e sw i t ho p p o s i t er o t a t i o nd i r e c t i o na n db i l a t e r a ls y m m e t r yg o i n g d o w n s t r e a mw i t ht h em a i ns t r e a m ，b u ta l s oc a nh e l pi n h i b i to re l i m i n a t et h ew a k e r e g i o no ft h ec y l i n d e r ；w i t ht h e i n c r e a s e o fl v ga n g l eo fa t t a c k ，t h ea x i so f l o n g i t u d i n a lv o r t e xg r a d u a l l yd e v i a t e sf r o mt h a to ft h em a i ns t r e a m ，a c c o m p a n y i n g t h ed e c r e a s eo f l a s t i n gi n t e n s i t yo fl o n g i t u d i n a lv o r t e x k e y w o r d s ：h e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t ，h e a tp i p ea n df i nh e a ts i n k ，l o n g i t u d i n a lv o r t e xg e n e r a t o r , p i v 山东大学硕士学位论文 p q r ” 缸 a y 主要符号表 热扩散率，m 2 s 面积，i n 2 定压比热容，j ( k g k ) 直径，m 阻力因子 表面传热系数，w ( m 2 k ) 传热因子 传热系数，w ( i t l 2 k ) 管长，m 小翼弦长，m m 压力，p a 热流量，w 温度，k 速度，m s 横向偏移量，1 1 1 1 1 1 纵向偏移量，m m 一 希腊字母 迎流攻角，。 运动粘度，m 2 s i o w 密度，k g m 3 导热系数，w ( m k ) 动力粘度，p a s 翅片效率 下标 内侧 外侧 壁面 流体 准则数 n u = h d 名努谢尔数 丹= v a普朗特数 r e = u d y雷诺数 v 口 彳 q d 厂五 ，后， 山东大学硕士学位论文 1 1 研究背景和意义 第一章绪论 换热器作为不同温度流体介质进行热量交换而实现加热或冷却目的的通用 设备，广泛应用于国民经济的各个部门。换热器性能的好坏、传热系数的高低直 接关系到能源的利用效率。应用强化传热技术，提高换热器传热效能、减少换热 器金属消耗量和初投资、降低换热器运行能耗，对实现节能减排、可持续发展具 有重要的现实意义。 从是否使用外部动力源的角度，学者b e r g l e s 将强化传热技术分为有源技术 和无源技术两大判。无源技术( 又称被动技术，p a s s i v et e c h n i q u e ) 除了输送 传热介质的功率外不再需要附加动力，而有源技术( 又称主动技术，a c t i v e t e c h n i q u e ) 则需要额外的动力。无源强化传热技术措施包括：表面特殊处理法【2 】、 粗糙表面、法【3 1 、扩展表面法【4 】、加入扰流元件法【5 1 、采用内外螺纹倒6 】、添加物 7 1 、 冲击传热嘲等。有源强化传热技术措施包括：对换热介质作机械搅拌【9 】、使换热 面发生振动【1 0 , 1 1 】、使换热流体做振荡流动f 1 2 】、将电磁场作用于流体【1 3 1 、将异种 或同种流体喷入换热介质或从换热表面抽走f 1 4 】等。目前研究和应用最多的是无源 技术，有源技术因为需增加辅助动力和设备，增加了投资，降低了运行可靠性， 应用范围相对有限。 上述强化传热技术，有的仅适用于特定的某些传热介质和传热过程，有的则 能对多种对流换热过程起不同程度的强化作用。例如，各种处理表面对于沸腾或 凝结传热都有很好的强化作用，但对于单相介质，却由于扰动作用过小而对流动 及传热不起作用；螺旋管、涡流发生器和机械搅动等，对于层流换热都有显著的 增强作用，但对湍流换热系数的提高却收效不大；各种不同形状的扰流子和发展 表面，对于无相变和有相变的换热过程都有一定的强化作用，其中发展表面尤其 适合于气体换热装置【1 5 】。 作为一种高效紧凑的强化传热元件，翅片管获得了普遍的工业应用。大到空 冷电厂的空冷岛凝汽器管束，小到冷却计算机芯片的热管散热器，以翅片管为主 要换热元件的管翅式换热器广泛应用于动力、化工、空调、制冷、气体换热、电 子器件冷却等领域。管翅式换热器由于在管表面上加翅，不仅使传热面积相对光 山东大学硕士学位论文 管增加2 1 0 倍，而且可以促进流体的湍流，传热系数可比光管提高1 2 倍，特 别是当有翅侧的表面传热系数h 远低于另一侧时，收效尤其显著【1 6 】。 通常管翅式换热器翅片侧的工质为空气或气体，另一侧即管内的工质为水、 油等液体。以管外侧面积为基准的通过圆筒壁的传热热阻计算式由式( 1 1 ) 给出： 瓦12 者+ 刍i n 鲁+ 上h o a o ( 1 ， 一= 一+ 一上+ 一 l ll m 曩42 蒯西 、 其中k 为传热系数，h i 、h o 分别为管内侧、外侧流体的复合表面传热系数，彳i 、 么。分别为管内侧、外侧面积，西、d o 分别为管内径和外径，且为管壁材料的表面 传热系数，为管长。 式( 1 1 ) 右边三项分别为管内、管壁和管外三个传热环节的热阻。空气对流换 热的表面传热系数h 多不超过1 0 0 w m 2 k ，而水、油等液体强制对流h 的量级 则是“成千上万”，且有相变发生时h 更大。考虑到管子内外侧面积相差不大且 多在同一数量级，金属导热热阻较小，由式( 1 1 ) 可知，管翅式换热器的热阻主要 集中于管外。实际数据表明管外气体侧热阻可占此类换热器总热阻的7 0 9 0 。 因此如何强化气体侧的换热，减少气体侧热阻具有重要的应用价值，也成为相关 学者和工程技术人员的研究重点。 1 2 翅片管强化传热机理 管外采用扩展表面构成翅片管束，是迄今为止所有各种管式换热面强化传热 方法中得到最广泛应用的一种f 忉。当换热器两侧流体的换热系数相差较大时，在 换热系数小的一侧应用翅片管，可扩大换热器表面积，并促进流体的扰动而减小 传热热阻，有效地增大传热系数，从而增加传热量，或者在传热量不变时减小换 热器的体积，达到高效紧凑的目的。早期的翅片管换热器多采用平翅片结构，随 着强化传热技术的发展和制造工艺的提高，出现了波纹翅片、百叶窗翅片和开缝 翅片等新型结构。 实际管翅式换热器中的传热过程是一种复杂的复合传热，往往有导热、对流、 辐射三种基本传热方式的两种或三种同时起作用。以电脑c p u 热管散热器为例， 芯片封装金属表面散热量通过绝缘且导热系数较高的硅脂将热量传导至散热器 的金属接触块，接触块热量由热管管壁传导至蒸发段内腔，在蒸发段热管内工质 2 山东大学硕士学位论文 蒸发吸热，蒸汽流经绝热段后在冷凝段凝结放热，热量通过导热由热管内壁面传 至外壁面和热管外的翅片，然后依靠风扇带动空气的强制对流将热量带走。因为 热管外壁及翅片表面的温度不高，辐射换热可忽略不计，该换热器中涉及的传热 包括导热、有相变的对流换热和无相变的对流换热。 稳定工况，管翅式换热器的换热量q 由式( 1 2 ) 表示： q=kaat(1-2) 式中：摊热系数，w ( m 2 k ) ； 么一换热面积，m 2 ； 卜冷热流体的平均传热温差，k 。 式( 1 2 ) 表明，要强化换热器中的传热过程，亦即提高换热器在单位时间、单 位体积内的换热量，可以通过增加传热面积、增大平均传热温差和提高传热系数 三种途径实现。 ( 1 ) 增加传热面积a 。应用扩展表面以及采用小直径管子，均可增加换热 面积。在换热器中采用各种翅片管、螺纹管等扩展表面换热面，能有效增加单位 体积内的换热面积，但往往在增加传热面积的同时带来流动阻力增大等问题。 ( 2 ) 增大平均传热温差凡增大传热温差的方法，一是通过不同的换热面 布置：逆流的平均传热温差最大，顺流的则最：i x 二是通过扩大冷、热流体进出 口温差。实际工程中，换热器的布置已经确定；冷、热流体的种类及温度亦不能 随意改动；加热工质的温度受材料物性限制，不能选的过高；传热温差的增加使 系统的不可逆性损失增加。以上种种限制使增大平均传热温差这一途径受到很大 制约。 ( 3 ) 提高传热系数k 。通过提高传热系数来增加换热量，是强化传热的重 要措施。当换热器的换热面积和平均传热温差确定，提高传热系数成为增加换热 量的唯一途径。式( 1 1 ) 已述及，提高传热系数可从提高换热管两侧的换热系数着 手，尤其是要提高管子换热较差侧的换热系数，以获得较佳的强化传热效果。 由以上讨论可见，通过增大平均传热温差来强化换热的方法，使用范围有限； 通过增加换热面积以强化换热的途径虽然有效，但受到流动阻力等多种条件制 约，换热面积不能过多增加，此外换热面积增加的同时往往伴随换热面传热系数 的改变；提高传热系数强化换热成为研究与应用的重点。 3 山东大学硕士学位论文 管外加翅片增加了空气侧的换热面积，改变了空气侧流场和温度场分布，是 目前强化空气侧换热的主要途径。w a n gc h i c h u a u 1 8 】把翅片的发展分为三个阶段： 连续翅片、间断翅片和带纵向涡发生器的翅片。 连续翅片包括平直翅片和波纹翅片等类型。平直翅片强化传热主要得益于传 热面积的增大和水力直径的减小。由于便于加工装配，使用中不易发生变形，平 直翅片仍应用较广。波纹翅片的弯曲流道使流体产生蛇形流动状态，流体在流道 中运动方向不断改变，促进了流体的扰动，并在流道弯曲部分发生速度边界层和 热边界层的分离或破坏。 间断翅片包括开缝翅片、百叶窗翅片、穿孔翅片等类型。间断翅片通过其几 何结构使流动和热边界层不断破裂、耗散和更新，从而提高传热性能，同时也有 利于流体的混合和均布。 带纵向涡发生器翅片的强化换热机理与连续翅片和间断翅片有较大差异。后 者的强化换热方式是主流强化换热，通过改变主流方向，增强流体扰动，破坏或 者减薄边界层的连续发展，起到强化传热的作用，同时伴随较大的阻力损失。而 前者通过在翅片上加工出突起的翼片一纵向涡发生器，换热流体流过翅片表面， 在纵向涡发生器尾部会产生一系列有序的纵向涡，这些纵向涡加强了传热壁面附 近流体和主流区流体的动量能量交换，通过改变二次流的分布来强化换热。纵向 涡发生器作为一种无源强化换热方式，能以相对较小的阻力损失获得较大的强化 传热效果，成为研究热点之一。 1 3 翅片管强化传热研究概况 翅片管强化传热的研究方法，主要包括理论分析、实验研究和数值模拟三个 方面。 传统的理论分析主要集中在几何参数对换热与流动性能的影响以及翅片效 率的计算等方面。近年提出的场协同理论【1 9 1 ，从流场和温度场相互配合的角度重 新审视对流传热的物理机制，不仅能统一地认识现有的各种对流传热和传热强化 现象的物理本质，而且能指导发展新的强化传热技术，不仅在思路上与早期强化 技术有很大不同，而且在传热强化的同时，阻力( 或功耗) 比它们更低。正因为 如此，场协同理论成为分析、研究和开发包括翅片管在内的各类换热元件及设备 4 山东大学硕士学位论文 的有力理论工具。实验方面，普遍的研究方法包括：萘升华传质传热比拟方法、 风洞试验法以及各种可视化技术等。数值模拟方法的兴起是数值计算方法进步和 计算机技术发展的产物。由于实验方法或分析方法在处理复杂的流动与传热问题 时，受到较大的限制，而数值模拟具有成本较低和能模拟较复杂或较理想的过程 等优点，在强化传热领域获得广泛应用。 1 3 1 连续翅片和间断翅片管研究概况 刘彦军【2 0 】应用数值计算方法对扁管直翅片式换热器的肋效率进行了计算和 分析，研究扁管翅片厚度、导热系数等因素对肋效率的影响，分析对比了翅片管 管片在局部换热系数和平均换热系数下肋效率。 d o n gj u n q i 2 1 1 对平翅片和波纹翅片管进行了实验研究，在r p 数为8 0 0 至06 5 0 0 范围内研究了翅片间距、翅片长度、翅片高度等几何参数对传热和压降的影响， 对实验数据进行了拟合，因子和厂因子关联式在1 0 范围内覆盖9 5 的实验 数据。 r a jm m a n g l i k 2 2 1 研究了翅片密度对三维波纹翅片紧凑流道中低尺p 数强制 对流的影响。流体流过凹陷的波纹表面产生漩涡，这些漩涡周期性的生成和破坏， 使翅片表面的流动边界层和热边界层周期性的破坏。增加翅片密度有破坏这种往 复循环的趋势。漩涡的强度和范围随r e 数和翅片间距的增大而增大，在r e 1 0 0 时增加翅片密度有助于获取更好的性能。 j i n - y o o nk i m 2 3 】用萘升华方法研究了平直翅片管换热器的流动和传热性能。 实验发现翅片前缘和管前的局部传热系数总是较大，在测试范围内，管间距与管 直径比s d o 5 时，总表面传热系数随之增大；s d 继续增加，总表面传热系数 不随之增长。 屈治国【2 4 】等对一种平直翅片和三种开缝翅片管换热器的换热特性进行了数 值模拟，结果表明与在翅片前部开缝相比，在平翅片后部开缝强化换热效果更好， 并基于场协同理论分析得出，在速度场和温度场协同性较差的翅片区域开缝对强 化传热所起的作用更大。 李惠珍【2 5 】等通过风洞试验对双排x 型双向开缝翅片管换热器空气侧的传热 和流动性能进行了研究，得到实验风速范围内传热与阻力特性曲线及拟合关联 式，实验结果表明，x 型双向开缝翅片的性能比单向开缝翅片更好；对数值模拟 5 山东大学硕士学位论文 结果应用场协同原理分析表明，双向开缝翅片有效强化传热的根本原因在于其对 速度和温度梯度协同性的改善。 党艳辉等人【2 6 2 7 】采用数值模拟方法对空冷电厂凝汽器用矩形翅片椭圆管空 气侧的传热与流动特性进行了研究，讨论了翅片上有无扰流孔两种情况翅片表面 的局部表面传热系数分布规律，分析了扰流孔的数目、尺寸、位置等因素对流动 和传热性能的影响；结果表明：表面传热系数和流动阻力均随扰流孔数目增加逐 渐增加，在一定范围内换热量也随之增加；表面传热系数和流动阻力均随扰流孔 尺寸增大而增大，但总换热量随之减少；扰流孔的位置影响相对较小。 冯丽丽用数值模拟方法研究了椭圆管矩形翅片管翅偏心距离对空气侧流 动和换热的影响，结果表明翅片向前偏移会减小管后尾流区对翅片表面换热的影 响，总表面传热系数有所增加；翅片向后偏移会加剧管后低速尾流区对翅片表面 局部传热的恶化作用，同时造成压力损失增加。 1 3 2 带纵向涡发生器翅片管研究概况 由流体力学知识可知，当流体横掠障碍物时，往往会在障碍物的背面产生旋 涡，但这些旋涡并不一定有益且能被利用。如果障碍物的横向尺寸有限，且与来 流流体夹角适当，则产生的旋涡将不会在某一区域停滞，而是随着主流前进，形 成一系列的有序纵向旋涡。这些纵向旋涡的强烈运动，促进了传热壁面附近与主 流区的流体间的动量和能量的交换，强烈的气流扰动起到减弱或破坏边界层的作 用，从而使传热增强。这被认为是纵向涡发生与强化传热的基本原理【2 9 j 。图1 1 展示了几种典型的纵向涡发生器结构。 6 夕驴毡夕扩 图卜1 几种典型纵向涡发生器 图卜1 自左至右分别为三角翼( d e l t aw i n g ) 、矩形翼( r e c t a n g u l a rw i n g ) 、三角 山东大学硕士学位论文 小翼( d e l t aw m e ；l e t ) 、矩形小翼( r e 斌a n g u l a rw i n g l e t ) 。它们是采用冲压等方法，使 翅片上部分金属形成向上翻起的三角形或矩形小条，其中翼型( w i n g ) 纵向涡发生 器的尾边与翅片相连，小翼型( w i n g l e t ) 纵向涡发生器的弦边与翅片相连。除了上 述( 小) 翼型纵向涡发生器，还有各种绕流柱型纵向涡发生器，如斜截半圆柱体、 斜截半椭圆柱体及其变式结构，如图1 - 2 所示。 斜截半圆柱瘫斜截半椭嘲柱商斜截半圆柱体斜截半椭圆柱体 图1 2 几种绕流柱型纵向涡发生器 自从1 9 6 0 年s c h u b a u c e r 和s p a n g e n b e r 9 1 3 0 提出用于边界层控制的纵向涡发 生器，并由j o h n s o n 和j o u b e r t 3 1 1 于1 9 6 9 年首次将其应用于实际换热器，几十年 来人们围绕纵向涡发生器在强化换热和流动减阻方面做了大量的工作。目前研究 中比较一致的看法是：纵向涡的强化换热效果优于横向涡；纵向涡发生器强化换 热的程度以及带来压降增加的程度与纵向涡发生器的形式、几何尺寸、布置方式、 迎流攻角和流动状态等诸因素相关。 f i e b i g 3 2 , 3 3 】通过实验系统比较了各种不同形状纵向涡发生器的性能，发现纵 向涡的二次流速达到轴向速度的量级，纵向涡与壁面的作用使涡的断面由圆形变 成椭圆形；纵向涡发生器的形状、位置和迎流攻角是影响纵向涡发生器性能的主 要因素。 t u r k 和j 咖k h a i l 瞰】研究了迎流攻角为2 0 。的矩形小翼对纵向涡发生器的几 何参数对平板换热的影响，结果表明，一定程度减小翼间距和翼高可提高表面传 热系数。 w a n g 等【3 5 1 用染料喷射方法研究了翅片管换热器中应用三角翼型纵向涡发生 器和环状涡流发生器的流动和压降特性，结果表明在相同的雷诺数和涡流发生器 高度下，三角翼型纵向涡发生器产生的涡旋运动和流体震荡更为强烈，且引起的 压降损失则相对较小。 7 山东大学硕士学位论文 l e u 3 6 j 用数值模拟方法和红外热成像实验研究了一管排数为3 的翅片管换热 器中安装矩形小翼纵向涡发生器的传热特性和流动状况，结果表明迎流攻角为 6 0 0 时表面传热系数仅比攻角为4 5 0 时高5 , - - 1 1 ，但比不安装涡发生器的对照组 高2 1 0 o , - - 2 9 ，且攻角为6 0 0 时压力损失最大；绕流换热圆管产生的马蹄涡与纵向 涡发生器诱导产生的纵向涡相互作用，有利于改善圆管下游尾流区的换热。 w u 3 7 , 3 8 1 研究了带矩形小翼和三角小翼纵向涡发生器的矩形翅片通道内的层 流对流换热，结果表明强化传热效果随着小翼迎流攻角的增加而增强，同时伴随 流动阻力的增加；小翼厚度对整体强化传热效果及压降损失作用很小；整体表面 传热系数随纵向涡发生器与通道前缘间距的增加而降低，同时随翼对间距的减小 而降低；当纵向涡发生器面积固定，矩形小翼通过增加长度比增加高度强化传热 效果更好，同时流动损失较小。 t i a n 3 9 1 采用数值模拟方法研究了带三角小翼波纹翅片管换热器空气侧流动 与传热特性，使用模型为r n gk - t 湍流模型，结果表明：三角小翼纵向涡发生器 的下游产生主涡和角涡；对顺排管，纵向涡不仅强化管子下游回流区的换热，而 且改善纵向涡发生器下游管子外壁面的换热；对错排管，纵向涡在后一个波纹槽 被干扰，沿主流方向发展距离短，纵向涡主要改善管子下游回流区的换热。在 r e = 3 0 0 0 时，与不加纵向涡发生器相比，带三角小翼波纹翅片管换热器的传热因 子，和摩擦因子厂因子在顺排布置时增加1 5 4 、1 0 5 ，错排布置时则分别增加 1 3 1 、7 o 。 楚攀 4 0 l 采用层流模型对带纵向涡发生器的椭圆管平翅片换热器的流动和传 热特性进行了三维数值模拟，结果表明：在r e = 5 0 0 - 2 5 0 0 范围内，带纵向涡发 生器的椭圆管翅片换热器的平均努谢尔数肭缸提高1 3 6 , - 3 2 9 ，相应阻力损失 增加2 9 2 - 4 0 6 ；应用场协同原理分析了纵向涡强化换热的内在机理，纵向涡 减小了全场速度矢量和温度梯度之间的夹角( 平均场协同角伙9 0 0 ) ，改善了温 度场和速度场的协同性。 黄军【4 l 】应用数值模拟方法研究了湍流状态、流体为水的条件下窄间隙矩形通 道内纵向涡发生器的有效作用距离，引入旋涡强度剩余率作为判据，在其研究参 数范围内，纵向涡有效作用距离为纵向涡发生器高度的6 8 3 7 7 4 倍，并且这一 范围与r e 数关系不大。 8 山东大学硕士学位论文 阳祥f 4 2 】研究了层流状态、介质为空气的情况下安装三角小翼纵向涡发生器的 平行通道内涡干涉与流动换热特性，发现纵向涡发展过程中的相互干涉会造成涡 强度的下降，单个纵向涡发生器的有效作用距离有随胎数增加而增加的趋势。 汤俊洁【4 3 1 采用数值模拟方法研究了安装五种不同斜截倾角( o o 、l o o 、2 0 0 、 3 0 0 、4 0 0 ) 斜截椭圆柱体纵向涡发生器的矩形通道的流动换热特性，使用模型为 标准k - e 湍流模型，发现斜截椭圆柱体长轴位于展向位置时有利于纵向涡的形成 与发展，通过对比五种纵向涡发生器的综合性能指标, r = ( h h m ) ( a p p m ) 得出斜截 倾角为2 0 0 时综合传热和阻力性能最佳。 叶秋玲m 】实验研究了矩形通道内布置矩形翼、直角三角翼以及斜截半圆柱、 半椭圆柱面纵向涡发生器的流动和换热特性，结果表明在实验r e 数7 0 0 - - 2 6 8 0 0 范围内，斜截半椭圆柱面的综合传热与阻力性能最好，其阻力损失比矩形翼低较 多；绕流斜截半柱面产生马蹄涡与其诱导产生的纵向涡综合作用，使其具有较好 的强化换热效果，且由于其流线型柱面造成压力损失较小。 1 4 本文主要工作 本文在前人研究的基础之上，针对应用于电子设备散热的矩形平翅片热管散 热器，抽象简化出物理模型，采用数值模拟方法研究了换热管在翅片上的合理布 置，研究了通过加装矩形小翼纵向涡发生器强化其传热的优化方法，并采用p i v 激光粒子成像技术探讨了圆管下游布置纵向涡发生器对流场的影响。 1 从热管翅片散热器强制对流的过程入手，确定研究对象，提出数理模型， 通过数值计算研究了横向管间距、翅片长度、管子纵向偏移量等管翅相对位置因 素对散热器性能的影响。 2 针对换热管单排布置的情况，研究了加装矩形小翼纵向涡发生器对其流动 换热特性的影响规律，并讨论了纵向涡发生器参数变化对其性能的影响，所变参 数包括纵向涡发生器的迎流攻角、在翅片上的位置、弦长、渐扩渐缩布置等。 3 在搭建的有机玻璃水槽实验台上，通过p i v 激光粒子成像方法，研究了布 置攻角为3 0 。、6 0 。的矩形小翼纵向涡发生器以及不布置纵向涡发生器的绕流 圆柱的流场分布，并与数值模拟结果互作验证。 9 山东大学硕士学位论文 第二章管翅相对位置对热管翅片散热器性能影响的数值研究 2 1 引言 在各种各样的翅片管换热器中，热管换热器以其良好的传热性能获得了广泛 的关注。热管通过饱和工质的汽化与凝结换热实现导热，传热强度和传热量大， 具有良好的导热性、理想的等温性以及热流密度的可调性【蜘等优点。热管通过胀 接、高频焊等工艺与翅片扩展表面组成的热管翅片散热器，应用于c p u 等电子 设备的风冷散热，性能相对传统的铝挤散热器有较大提高。图2 - 1 展示了几种 c p u 热管翅片散热器。 图2 - 1 几种c p u 热管散热器实物图 通过增加翅片面积，或采用波纹翅片、开缝翅片以及应用纵向涡发生器等扰 流物强化传热，均可一定程度上起到增加散热器换热量的作用。而热管在翅片上 合理布置是保证散热器性能的重要前提。 本章以单排4 根铜热管在平直矩形铝翅片上布置为例，研究管翅相对位置变 化对散热器换热与阻力性能的影响规律。 2 2 数值计算模型 2 2 1 物理模型 翅片厚度为0 4 m m ，宽度召为9 6 m m ，长度为己，翅片间距2 4 m m 。取相邻 两翅片间的流道为研究对象，根据散热器结构的几何对称性，计算物理模型作相 应简化。如图2 - 2 所示，z 轴为翅片宽度方向，y 轴为空气来流和翅片长度方向， z 轴为翅片间距方向。计算区域的上边界为两翅片间距的中间截面，下边界为翅 片厚度的中间截面，左边界为散热器的左边缘，右边界为散热器的纵向中间截面。 整个计算区域包括1 2 厚度的翅片和1 2 翅片间距的空气层，为两个翅片构成的 1 0 山东大学硕士学位论文 基本流动单元的1 4 。为保证计算的稳定性与边界条件实施的合理性，计算区域 从翅片通道入口向上游延长2 倍热管直径，从翅片通道出1 ：3 向下游延长4 倍热管 直径。整个计算区域如图2 2 中虚线所示。 o l l t f l o w 厂一一一一一一一一一 li il ；l s y m m 哪 il 。 ( a ) 俯视图 术况7 1 口jl - - 一 对称边界i 口l ，。，。 ，。，1 ，1 ，。p ， z 一。一一 n z ( b ) 侧视图剖面 二二二二二嫡 周期边界 飞( 7 o 弋o ( 7 匠 ， = z 2 -_ e 苎若 一， = 乙乙 。i ，o、j ， 、 一 、一 ( c ) 流动截面主视图 图2 2 单排四热管平翅片散热器计算区域选取示意图 山东大学硕士学位论文 热管翅片散热器的迎面风速较低，翅片间距和换热管径8 l d , ，其流动多处于 层流状态。本章计算选用风速在1 - 3 m s 范围内，经试算，采用层流模型。 2 2 2 数学模型 结合实际散热器中流动和传热的特点，本章进行的数值模拟基于以下假设和 简化。 1 计算区域的流动和换热过程是稳定的； 2 流体为不可压缩牛顿流体； 3 忽略流体流动中因粘性耗散产生的热效应： 4 忽略重力和由于密度差引起的浮升力； 5 计算涉及物性参数为常数； 6 流体在固体壁面上无滑移； 7 热管壁面温度恒定为3 2 0 k ，忽略热管与翅片间的接触热阻，忽略热管 以及翅片的辐射散热； 8 实际散热器空气来流通常为轴流风扇提供，本文假设空气为均匀来流。 整个计算区域流体运动和传热的控制方程如下。 连续性方程： i o u + 誓+ 誓：o ( 2 - 1 ) 瓠籼8 z 动量方程： 叱瓦0 u i