（工程热物理专业论文）多排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 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 是一种比较经济的强化换热手段 具 有良好的应用前景 而且 在工程应用中 纵向涡发生器一般都采取了 多排布置的形式 本文首先通过实验研究了多排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的换热效果 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多排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 p h o e n i c s 软件可以较好的完成对直角三角翼对纵向 涡发生器强化恒热流竖直平板自然对流换热的模拟 模拟结果与实验结 果对比符合较好 直角三角翼对纵向涡发生器采取多排布置时 各排间 的纵向间距是影响换热的一个重要几何因素 对本实验选取的尺寸为 l o m m 2 0 m m 1 5 m m 3 0 m m 2 0 m m x4 0 m m 的纵向涡发生器 各排问的纵向 间距为3 5 m m 时能够达到最优的换热效果 多排直角三角翼对纵向涡发生 器采取错列布置时 可以改善纵向涡发生器前的很小范围内和相邻两纵 向涡发生器之间的换热恶化区域的换热条件 因此能够达到良好的换热 效果 在其他几何参数相同的情况下 错列布置的强化效果要优于均匀 布置的情况 且布置的纵向涡发生器数目要少于均匀布置的情况 直角 三角翼对纵向涡发生器采取多排错列布胃时 纵向涡发生器的翼高和各 列间的横向间距会对换热产生综合的影响效果 在本实验条件下 当涡 发生器由距实验板下缘2 4 0 m m 处开始错列布置时 最佳翼高为2 0 m m 最佳横向间距为9 0 m m 丽且最佳翼高与当地的层流边界层厚度有关 层 流边界层厚度大的 最佳翼高大 在错列布置方式中 合理的纵向涡发 生器翼商和各列间横向间距应满足 1 在一定当地自然对流层流边界层 厚度下 纵向涡发生器翼高可以产生适中的纵向涡旋 2 横向间距足够 可以体现出错列布置时对换热较弱区域的改善效果 对整板间隔地布置 采用错列布置方式的多排纵向涡发生器 能够达到理想的换热效果 对 尺寸为15 m m 3 0 m m 的纵向涡发生器 强化提高比例可以达到6 1 1 关键词 多排纵向涡发生器 强化换热 自然对流 错列布置 华南理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t i 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 l v g i sak i n d o fh e a tt r a n s f e r e n h a n e 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 se 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 ar s h a v es t u d i e dl v g n a t u r ec o n v e c t i o nh e a tt r a n s f e ri sw i d e l ye x i s t e di nt h e p r o j e c ta p p l i c a t i o n u s i n gt 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 t t 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 s e a s i l yi n s t a l l e d l v g i sa v e r y e c o n o m i c a lm e a n so fh e a tt r a n s f e r e n h a n c e m e n ta n dh 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 i nt h ee n g i n e e r i n g a p p li c a t i o n t h el v g sw e r ea r r a n g e di nr o w su s u a l l y f i r s t l y t h i sp 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 n b yd e l t a w i n g l e tl v g s a r r a n g e di nr o w s t h e nw es i m u l a t et h e s ee x p e r i m e n t sb yu s i n gp h o e n i c s s o f t w a r e a n dw eu 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 c p a r a m e t e r so ft h ed e l t a w i n g t e tl v g sa r r a n g e di nr o w s e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t t h er 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 n b yu s i n gp h o e n i c ss o f t w a r ec o i n c i d ew i t he x p e r i m e n t s w h e nt h e d e l t a w i n g l e tl v g sa r ea r r a n g e di nr o w s t h el o n g i t u d i n a ls p a c ei so n eo f t h ei m p o r t a n tf a c t o r st h a ti n f l u e n c et h eh e a tt r a n s f e re f f e c t f o rt h e m u l t i r o w sd e l t a w i n g l e tl v g so fl0 m m 2 0 m m 15 m mx3 0 m ma n d2 0 r a m 4 0 m m h e i g h t x w i d t h w h e nt h es p a c ei s 35 m m t h eh e a tt r a n s f e re f f e c ti s b es t w h e nt h el v g sw e r ea r r a n g e di ns t a g g e r e d t h eh e a tt r a n s f ere f f e c ti n t h es m a l lr e g i o nb e f o r et h el 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 e l v g sc a nb ei m p r o v e d f o rt h es a m eo ft h eo t h e rg e o m e t r i cp a r a m e t e r s t h e h e a tt r a n s f e re f f e c to ft h el v g sw i t hs t a g g e r e da r r a n g e m e n ti sb e t t e rt h a n t h eh e a tt r a n s f e re f f e c to ft h el v g sw j t hu n i f o r ma r r a n g e m e n t a n dt h e n u m b e ro ft h el v g sw i t hs t a g g e r e da r r a n g e m e n ti sl e s st h a nt h el v g sw i t h u n i f o r ma r r a n g e m e n t w h e nt h el v g sw e r ea r r a n g e di ns t a g g e r e d t h e h e i g h to ft h el v ga n dt h et r a n s v e r s es p a c eb e t w e e nl v g sh a v ea c o m p r e h e n s i v ee f f e c to nh e a tt r a n s f e r 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 r t h ed e l t a w i n g l e tl v g sw h i c hw i d t hi s2 0 m m a sr a 6 3 5 e 0 8 t h eb es t h e i g h ti s2 0 m m a n dt h eb e s tt r a n s v e r s es p a c ei s9 0 m m t h eb e s th e ig h t isr e l a t e dw i t ht h et h ic k n e s s0 ft h el o c a l b o u n d a r y1 8 v e r w h e n t h el v g sw e r ea r r a n g e di ns t a g g e r e d t h eo p t i m a lh e i g h to fd e l t a w i n g l e t i i a b s t r a c t l v ga n dt h eo p t i m a lt r a n s v e r s es p a c es h o u l ds a t i s f yt h e s ec o n d i t i o n s 1 u n d e rag i v e nth ic k n e s s0 ft h el o c a ib o u n d a r y1 a y e r t h eh e i g h to f d e l t a w i n g l e tl v g c a ng e n e r a t em o d e r a t el o n g i t u d i n a lv o r t e x 2 t h e t r a n s v e r s es p a c ei se n o u g ht oi m p r o v et h eh e a tt r a n s f e re f f e c ti nt h er e g i o n b e t w e e nt h et r a n s v e r s el v g s t h f o u g ha f r a n gin gs t a g g e r e d d e lt a w i n 9 1 e tl v g so nt h ew h o l ev e r t ic a lf l a tp 1 a tew it hs u it a b l e 0 n g i t u d i n a ls p a c e w ec a ng e tab e t t e re f f e c to fi n t e n s i f y in gh e a t tr a n s f e r f o rt h em u l t i r o w sd e l t a w i n g l e tl v g so f15 m m 3 0 m m t h e r a t i oi n t e n s i f i c a t i o no fh e a tt r a n s f e rc a nr e a c hs ix t yo i l ep o i n t0 1 3 e b e r c e n t k e y w o r d s l o n g i t u d i n a lv o r t e xg e n e r a t o ra r r a n g e di nr o w s h e a tt r a n s f e r e 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 s t a g g e r e da r r a n g e m e n t 1 1 i 华南理工人学硕十学位论文 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 运动秸度 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 i v w m2 m m m m m m 靴一枞吣m挑 口弓 橱v 符a q l 八 h l x 一m k n胁下 w 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 忿柱 日期 油艿年彩月幻日 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 年解密后适用本授权书 本学位论文属于 不保密口 请在以上相应方框内打 4 作者签名 导师签名 筇靖甚 摇障钇 日期 印 多年g 月善而日 日期 厂年6 月i o 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 强化传热的背景与意义 强化传热是上世纪6 0 年代蓬勃发展起来的一种改善传热性能的先 进科学技术 几十年来 强化传热的研究丰富 开拓了传热学的理论 并已经发展成为第二代传热技术 强化传热在工业中有着极为广泛的应 用 在能源的开发 利用和节约中起着重大的有时甚至是关键性的作用 正因如此 强化传热学已经成为了现代热科学中一个十分引人注目的研 究领域 在现代科学技术领域里 无论动力 冶金 石油 化工 材料 制 冷等工程 还是空间 电子 核能等高技术 都不可避免地涉及到加热 冷却和热量传递的问题 在能源的开发 利用中 热能传递现象更为普 遍 对流换热的应用极为广泛 对它的研究也就不断地深入和发展 为 了降低换热设备的重量 减少换热设备的体积 节能降耗 应力求强化 传热过程 强化传强化传热的发展十分活跃 表现出高速度 实用性以及不断 迎接高技术发展的挑战等三个突出的特点 由于科学技术的飞速发展和 能源的严重短缺 不断向强化传热提出了新的要求 因此强化传热研究 的深度和广度日益扩大并向新的领域渗透和发展 近三十年来 各国工业的节能和开发新能源有了突飞猛进的发展 设计和制造各类高性能换热设备是经济地开发和利用能源的最重要手 段 近年来推出的多种强化传热的研究成果为化工 石油等工业提供了 多种新型高效的传热设备 使大量余热得到充分回收和利用 强化传热 技术与高效换熟设备已有广泛的应用并取得了较大的经济效益 强化传 热在其它工业中也有着极为广泛的应用 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 强化传热研究的主要任务是改善 提高热传播的速率 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 1 2 例如 有些强化传热技术可以使换热器的换热强度增强十倍以上 从而使换热器的尺寸和重量大大减少 并带来显著的经济效益 因此研 究和开发强化传热技术对于国民经济的重要作用是不言而喻的 华南理工大学硕士学位论文 1 2 课题的提出和任务 1 2 1 传热强化技术 从1 9 世纪末开始 人们开始关注传热强化的研究 但是由于当时的 工业生产水平对传热强化的要求不是很迫切 所以对于强化传热的研究 基本上属于实验科学 还很不成熟 相应的传热强化技术属于第一代 从2 0 世纪7 0 年代石油危机开始 国际传热界加强了传热传质过程的机 理研究 发展了第二代传热强化技术以提高过程效率和节能降耗为目的 近年来又出现了第三代传热强化技术一一复合强化技术 所谓复合强化 技术就是将两种或两种以上的强化措施同时应用以期获得更好的传热强 化效果 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 按照b e r g l e s 的分类n 对流换热的强化技术可分为被动强化技术 p a s s i v et e c h n o l o g y 或称无源强化技术 和主动强化技术 a c t i v e t e c h n o l o g y 或称有源强化技术 被动强化技术除传热介质的输送外无 需外加动力 而主动强化技术则需要外加能量以强化换热过程 它们各 有其应用背景并已发展了许多强化技术 表1 1 对流换热强化技术分类 无源强化技术有源强化技术 处理表面 粗糙表面 机械搅动 发展表面 表面振动 涡流发生器 流体振动 螺旋管和扭曲管 电磁场 绕流装置 喷入或吸出 射流冲击 添加物 换热强化技术的应用要综合考虑许多因素 通常流体的流态 即层 流或湍流 对于选择换热强化的方法占有举足轻重的地位 在层流对流 换热情况下流体的速度分布和温度分布不像湍流那样平坦 流体与壁面 间的温度降产生在整个流动截面上 因此对层流换热所采取的强化措施 第一章绪论 传统上是使流体发生强烈的径向混合 使核心区流体的速度场 温度场 趋于均匀 壁面及壁面附近区域的温度梯度增大 进而强化层流换热 但对于湍流 由于流体核心的速度场和温度场都已经比较均匀 对流换 热热阻主要存在于贴壁的流体粘性底层中 因此对湍流换热所采取的毛 要强化措施是破坏边界层 即增加对边界层的扰动以减薄层流底层的厚 度 使传热温差发生在更加贴近壁面的流体层中 增强换热能力 另外 传热介质的种类对选择换热强化方法也具有十分重要的作用 例如对于 气体 由于导热系数和比热都比较低 即使是湍流换热也无法实现较高 的换热系数 因此 此时采用提高换热系数的方法对其效果不大 增加 换热量更有效的方法则是扩大换热面积 如采用各种翅片等 目前国际上己研究和开发出上百种的传热强化技术 但所研究和应 用的强化传热技术存在一个普遍问题 即传热强化的同时 阻力损失也 增加很多 因此阻碍了很多强化技术的普遍应用 我国学者和科研技术 人员在强化传热方面做了大量的工作 特别是近年来在理论和机理研究 的基础上发展了一些新的强化技术 如纤毛肋强化管f 6 液体诱导振 动弹性管束h 川等 过增元和其他学者在传热传质控制和强化的基础研 究工作中 提出了传递过程控制和强化的新概念和新方法 2w 成为第 三代传热传质技术的理论基础之一 1 2 2 纵向涡强化传热概述及相关文献综述 纵向涡强化传热是一种通过某种旋流元件或特定的装置使流体在 换热空间产生涡旋流动的新型无源换热强化技术 由流体力学知识可知 当流体横向流过一个障碍物时 往往在障碍物的背面空间内产生涡旋 这些涡旋并不一定是有益的和能被利用的 进一步的研究表明 如果障 碍物的横向尺寸有限 并且与来流的流体相交成合适的角度 则产生的 涡旋将不会滞留于某一空间内 而会随主流向前运动 从而形成一系列 的有序纵向涡旋 这些纵向涡旋的强烈运动 促进了主流区与传热壁面 附近的流体间的动量和能量的交换 强烈的气流扰动对边界层起到减弱 或破坏作用 因而使传熟增强 这就是纵向涡旋发生和传热强化的基本 原理 在此基本理论指导下 我们将产生纵向涡旋的物体设计成合理的 形状和尺寸 纵向涡发生器有多种类型 典型的有三角形状 矩形形状 的纵向涡发生器 可以参考图卜1 涡由流体的相互摩擦和流体分离而 产生 由于真实流体总是有粘性的 因此流体的运动总是含有涡运动的 一般特定的表面产生特定形式的涡 纵向涡发生器的类型很多 根据国 华南理工大学硕士学位论文 内外许多学者的大量理论和实验研究证明 三角翼 d w 矩形翼 r w 三角翼对 d w p 矩形翼对 r w p 是理想的纵向涡发生器 它们不仅制 造和安装简单方方便 而且强化换热效果明显 本实验的研究对象为三 角形的纵向涡发生器 2 易一 oo 直角三角置 髹形置辩t 衄拄体辩蝴衄拄体 图卜l 涡流发生器形状示意图 f i 9 1 1 s h a p e s0 f l v g 近年来纵向涡发生器的机理 性能和应用成为强化换热的研究热点 之一 e i b e e 和e a t o n t l 等对单个纵向涡嵌入单侧壁面边界层的传热效果 作了研究 认为涡旋改变了复杂的三维流动湍流特性和近壁的边界层结 构可有效的提高传热量 p a u l e y t 等研究了纵向涡嵌入单侧壁面边界层 的影响 认为是一种比较优越的强化换热方式 纵向涡在尾迹区带动下 游流体旋转冲刷壁面 并驱动流体从四周流向中心 破坏了热边界层的 发展 提高了换热系数 并且在一定的压力梯度下 纵向涡可以很稳定 并延伸至很远的下游区域 当发生器后产生涡偶时的强化换热效果要优 于单涡的情况 图l 一2 为流体流过d w p 涡流发生器所产生的纵向涡示 意图 图1 2 纵向涡 f i g1 2 l o n g i t u d i n a lv o r t e x 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 即在靠近壁面区域 切向速度随径向距离增大而降低 离壁面稍远的流 4 第一章绪论 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 有关纵向涡发生器的最早研究和应用应该开始于空气动力学研究领 域 而纵向涡旋发生器首先是由美国联合飞机公司的b m y n es 和t a y l e r 在1 9 4 7 年提出的 多用来延缓边界层的分离 防止飞机因气流分离而造 成的一些偏差现象 比如飞机的振颤 上扬 机翼下坠 摇摆及失速尾 旋等 关于将纵向涡发生器用于强化转热的论文最早发表于1 9 6 9 年f t 1 0 0 0 0 时呈现对流为主的换热特征 当平板在同一水 平面内移动时 左右壁面对平板换热的影响只在平板离壁面很近时较强 其余位置几乎无影响 水平板离开顶面于底面的距离对n u 数有明显影 响 且有一最佳位置 王秋旺等还对倾斜封闭方腔内多块孤立平板自然 对流抉热进行了实验研究 实验结果表明当多块平板处于水平位置 平 板之间间距发生变化时 换热强度有较大变化 且有一位置使得各块板 的换热强度接近相当 当多块板在封闭腔内作整体移动时 换热受位置 的影响很微弱 当平板由水平位置变为竖直位置时 换热逐渐增强 但 倾角大于一定值后 换热随倾角而增长的趋势减慢 在三种角度下 封 闭腔内的换热均比大空间自然对流要弱 水平放置 0 0 时最差 第一章绪论 竖直放置 o 9 0 时换热最好 8 4 5 0 后换热强度已接近于o 9 0 的情形 刁乃仁等对散热器垂直肋片的强化换热情况进行了研究 46 1 研究结 果表明散热器垂直肋片宜采用低肋片 或问断低肋片 肋高应不大于 2 l o m m 2 4 0 m m 对于较高的肋片 3 5 0 6 5 0 m m 宜在肋片表面适当位 蔑 距起点2 3 0 m m 左右 设置扰动孔或扰动齿形 垂直肋片 或散热器 的宽度可适当减少 肋片间距应适当加大 肋片的厚度不宜太薄 王涛等用实验以及数值模拟的方法对纵向涡发生器强化大空间恒热 流竖直平板自然对流进行了研究 4 7 i 首先进行了实验研究 结果表明 1 纵向涡发生器产生的纵向涡旋 对于恒热流竖直平板自然对流有着不错的强化换热效果 最高使使对流 换热系数提高了2 3 8 而且如果考虑上纵向涡发生器还具有扩展受热 面的作用 纵向涡发生器对于竖直平板自然对流的换热应该有更好的强 化效果 2 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 着较好的强化效果 但是 在纵向涡发生器前的很小范围内和两列纵向 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 嚣可以解决这些问题 3 直角三角翼对纵向涡发生器强化换热时 纵向 涡发生器的攻角是影响换热效果的主要因素 随着攻角的变化 强化换 热效果先增大后减小 存在最佳攻角 本实验条件下 直角三角翼对纵 向涡发生器最佳攻角在4 5o 左右 4 直角三角翼对纵向涡发生器的翼高 是影响换热效果的重要因素 5 纵向涡发生器组中 纵向涡发生器之间 的横向间距对于换热也有影响 存在最小间距 当纵向涡发生器之间的 横向间距大于最小间距时 换热系数基本保持不变 当小于最小间距时 换热系数将变小 6 在直角三角翼对纵向涡发生器组中 前排纵向涡发 生器诱发的纵向涡旋有利于后排纵向涡发生器的换热 并可以消除后排 纵向涡发生器前的温度升高区域 7 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 进一步的 王涛等用数值模拟的方法对实验研究的结果进行了验证 补充 结果表明 1 使用数值模拟的方法可以较好的进行对直角三角翼 对纵向涡发生器强化恒热流竖直平板自然对流换热的模拟 模拟结果同 实验结果对比真实可靠 2 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着较好的换热强化效果 而对于湍流区域强 化换热效果不明显 在层流区域内 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 3 直角三角翼对纵向涡发生器强 华南理工大学硕士学位论文 化自然对流换热时 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 f lx2 0 m m 的直角三角翼对纵向涡发生器最佳攻埽在4 0 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 涡对之间的影响适合 几何相似 高宽比一定 的直角三 角翼对纵向涡发生器有着相近的最佳攻角 3 直角三角翼对的翼高是影 响换热效果的重要因素 这表明最佳翼高与当地的层流边界层厚度有关 层流边界层厚度大的 最佳翼高大 4 直角三角翼对组中 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 涡的大小有关 最小横向间距应保证相邻纵向涡旋没有显著的干扰 1 3 本文研究目的 意义 方法与内容 通过以上的文献综述我们可以了解到 众多的学者对纵向涡发生器 强化换热的机理 特性以及相关影响换热的因素进行了大量的研究 并 得到了许多有用的结论和经验 其中尤其以有关利用纵向涡发生器强化 强迫通道内对流换热的换热特性的研究最为详实 同时 对于自然对流 换热以及对纵向涡发生器几何参数影响自然对流换热的基本特性也有了 相关的研究 本文研究的目的就是在这些机理性研究的基础上 对这些 机理性研究进行更具有实际应用价值的扩展 自然对流广泛存在于工程实践之中 而纵向发生器强化传热是近年 来被国际上公认的强化气体传热的有效方法之一 但因其流动和传热的 复杂性 影响因素的多样性以及实验测试的困难 所以在实际推广应用 前 尚有许多问题需要我们去解决 正因为如此 有大批的科技和研究 人员投身于这方面的研究 这主要包括机理性的研究和实验的探索 如 果我们能够在这些问题的研究中提出一些合理的见解 甚至得出 些参 考性的结论和初步的规律 那将是非常有意义的 本文采用的是实验研究和数值模拟相结合的方法 先对首先通过实 验对多排纵向涡发生器强化大空间恒热流竖直平板自然对流的换热特性 和纵向涡发生器的几何参数 阵列方式对换热效果的影响进行初步的研 究 然后通过传热数值模拟软件p h o e n i c s 对实验进行数值模拟 并进 一步通过数值模拟研究纵向涡发生器的几何参数 阵列方式对自然对流 换热影响的基本特性 本文研究的主要内容包括 1 纵向涡发生器对自然对流抉热的总体特点 2 多排纵向涡发生器阵列方式对强化换热的影响 1 4 第一章绪论 3 多排纵向涡发生器各排间纵向问距对强化换热的影响 4 纵向涡发生器翼高变化对强化换热的影响 5 多排布置中横向间距对强化换热的影响 本课题来源于9 7 3 国家重点基础研究发展规划项9 1 高效节能的关 键科学问题 g 2 0 0 0 0 2 6 3 0 0 的子课题 华南理工大学硕士学位论文 第二章多排纵向涡发生器强化竖直平板自然对流换 热的实验研究 大量研究表明 纵向涡发生器自身的几何参数是是影响强化换热效 果的重要因素 而且当纵向涡发生器呈多排布置时对换热的强化效果又 会有不同的影响 大多数研究者主要研究纵向涡对水平通道强迫对流换 热的强化效果 而对纵向涡在竖直平板自然对流换热的影响上的研究则 比较少 通过对纵向涡强化换热机理的分析 我们知道纵向涡可以加强边界 层流体的扰动以及边界层流体和主流流体的混合 从而改变了近壁流场 的结构 因而对强化换热有较好的效果 当自然对流处在层流时 由自 然对流换热的特性知道 其换热热阻完全取决于层流薄层的厚度 所以 对于自然对流层流 纵向涡发生器应该会有不错的强化效果 作者通过 实验 研究了在一定r a y l e i g h 数 恒热流换热条件下 多排直角三角翼 纵向涡发生器强化换热的效果 2 i 实验系统 实验系统由实验加热面 加热装置 测量系统和纵向涡发生器四部 分组成 2 1 1 实验加热面 实验加热面是一个尺寸为0 1 2 r a m 8 2 0 r a m x3 0 0 r a m 厚 长 宽 的 n 卜c f 竖直发热扳 n 卜c r 板的电阻约为0 0 2 欧姆 发热板上下两端 分别用3 m m 4 0 0 m m 3 0 m e 厚 长 宽 的紫铜板夹紧 保证紫铜板与实 验面紧密接触 紫铜板的电阻约为4 3 8 l0 欧姆 由于紫铜板的电阻 仅仅为n i c r 板电阻的十万分之二 所以在紫铜板上的压降可以近似认 为等于零 由于紫铜板上的电压压降趋于0 对空气没有加热作用 所 以在计算r a 数时 还是以实验面的下缘为起点 不包括紫铜板的高度 因而加热板的实际发热区面积取为7 6 0 m m 3 0 0 m m 在紫铜板两端接入电 源导线 经测量紫铜板上各点之间电压基本等于零 这表明发热板各处 的接入电压均匀一致 使用数值电压表测量n i c r 板上不同位置的两点 电压 结果表明当被测量两点的竖直方向的距离相等时 电压相等 并 第二章 多排纵向涡发生器强化竖直平板自然对流换热的实验研究 且两点间电压的大小随竖直方向的距离大小呈线性变化规律 所以可以 认为n i c r 发热板达到了恒热流换热条件 直角三角翼对纵向涡发生器 图2 1 实验加热面 f i 9 2 1 e x p e r i m e n t a l h e a t i n gp l a t e 2 1 2 加热装置 在竖直发热板两面对称布置 以使得发 热板两面的热状况一致 实验过程中 为保证由竖直加热板引起的自然对流不 受到外界环境的流动影响 整个实验在 密闭的6 m 5 m 3 m 长 宽x 高 房间内 进行 实验时 实验人员也不在实验台 附近移动 以免影响实验的准确性 同 时 空气的温度对自然对流换热也有较 大的影响 所以各组实验进行时 空气 温度差保证在5 之内 实验时的平均 温度为2 9 加热装置包括交流稳压电源 一次变压器以及二次变压器 交流电 通过交流稳压电源 一次变压器 二次变压器可以为n i c r 发热板提供 稳定的低电压大电流供应 实验中加热板的上下两端分别使用了六根粗 铜导线 由于加热电源是稳压交流电 所以在接入时 要保证各导线电 流方向一致 避免相差干扰 实验时 保证n j c r 发热板的端部电压为 2 5 0 伏 电流为1 6 9 安培 总发热功率为4 2 2 5 0 瓦特不变 2 1 3 测量系统 测量系统包括数值电压表 数值电流计 标准水银温度计 湿球温 度汁和红外热像仪 由于本实验中发热面的电阻很小 一般的接入式电流表的电阻与之 相比不能忽略不计 如果使用接入式电流表测量单根电源导线 会使其 华南理t 大学硕士学位论文 它五根导线电流增大 达不到准确测定电流的目的 因此本实验中我们 选用了数值电流计 它通过电磁感应来测量交流电的大小 无须接入被 测电路 避免了对电路的影响 所以可以准确地测量电流的大小 实验 中使用数值电流计分别测量电源导线三处不同位置的电流量 取平均值 作为测量电流值 对竖直发热实验板的前后两面都使用红外热像仪测量温度场 本实 验使用f l i r 公司生产的t h e r m a c a ms c 2 0 0 0 红外热像仪测量实验面的温 度 红外热像技术是利用红外探测器摄取来自被测物体表面的热辐射 即红外辐射 从而获得物体表面的热像图的技术 由于热像图本身包含 了被测物体表面的温度信息 因此 根据热辐射理论可以求得物体表面 的温度分布 红外热像技术测量温度的优点 1 响应速度快 不必像一般热电偶 热电阻那样要求与被测目标达 到热平衡 它只要接受日标的辐射即可 而辐射能的传播速度为光速 因此测温的速度仅取决与热成像系统自身的相应速度 传统的测温技术 的响应时间一般为秒级 而现在使用的碲镉汞和锑化铟的光子探测器相 应时间已达微秒或纳秒级 可以实时测量 和进行远距离测量 小于3 0 米 如装望远镜头可达l 2 千米 因此热像仪可以测取快速变化的温 度 场 2 测量范围宽 玻璃温度计的测温范围为一2 0 0 6 0 0 热电偶的 测温范围为一2 7 3 2 7 5 0 而辐射测温的理论下限是绝对零度 即一 2 7 3 1 6 以上 没有理论上限 目前实际的辐射测温上限可达5 0 0 0 6 0 0 0 3 非接触测量 由于测取的是物体表面的红外辐射能 不用接触被 测物体 也不会干扰被测的温度场 故红外热像技术非常适合于测量远 距离目标 高速运动目标 带电目标 高温目标和不易接近的目标 4 灵敏度高 目前最灵敏的热成像系统能测出0 0 1 的温度变化 5 信息量大 在一秒中内可以测出2 0 万个点的温度 特别适合测 量整个表面的温度分布值 6 安全可靠 由于可以进行远距离测量 所以对于高压设备检测和 其它带电检测的地方 使用红外检测安全方便 7 测量结果直观形象 红外热像仪以彩色或黑白图像的方式输出被 测目标表面的温度场 不仅比单点测温提供更为完整 丰富的信息 且 非常直观形象 由于红外测温技术具有如此多的优点 所以它不仅在军事领域得到 了充分的重视 成为现代军事对抗的制胜关键技术之一 而且在民用领 第二章多捧纵向涡发生器强化竖宜平板自然对流换热的实验研究 域 也获得了越来越广泛的关注 已在材料缺陷的检测与评价 建筑节 能评价 设备状态热诊断 生产过程监控 自动测试 减灾防灾等诸多 方面获得了应用 并显示出越来越强大的生命力 本次实验虽然也可以 通过在实验面上的许多点敷设测温热电偶来测量 但是与利用红外热像 技术相比就有很多的缺点 1 测量温度点少 由于敷设时 热电偶的尺寸 不可能布置的很密 乒 能测量到有限点的温度 不能够测量整体的温度场 这样就不能得到 温度场的连续信息 对于温度场变化的详细情况很难反映出来 2 破坏流场和温度场 由于热电偶测温是接触式测温 所以无论如 何安排实验 都难免会影响到温度场和流场 特别是本次实验的研究对 象是自然对流 这样的影响就会表现的更加明显 另外使用红外热像技术测量温度可以使实验装置大大简化 而使用 热电偶测量的实验准备工作量也很大 例如热电偶在测定前必须进行校 对 记录各个热电偶的测量误差 红外热像仪就是一种利用实时的扫描红外成像技术进行温度分析的 红外波段摄像机 t h e r m a c a ms c 2 0 0 0 红外热像仪通过内置的五个温度参 考点校准温度漂移 通过大气穿透补偿模式保证在各种环境都可以精确 测量 测量精度为0 1 实际测量中 除了目标的表面温度外还有许 多因素干扰温度的测量 影响红外热像仪测量精度的主要因素包括 1 被测物体的发射率 红外成像测温 实际上是测量在一定波长范 围内物体表面的辐射能量 再换算成温度 但是由于物体表面发射率不 同 且随温度和波长变化 这样就使得虽然物体处于同样的温度 但由 于其发射率不同而使探测器接受到的能量不同 从而显示出不同的温度 值 实际用红外热像仪测量温度时被测对象的发射率必须由操作者自行 找出键入到热像仪和电脑内 当测量目标发射率不能确定时 在实验前 必须对测量目标的发射率进行校准 2 周围环境的影响 在用红外热像系统测量物体温度时 探测器接 受的不仅有被测物体表面投射到响应平面上的辐射能 还有周围环境投 向物体表面被物体表面反射的辐射能 以及环境投向物体表面并透过物 体表面的辐射能 后两部分的辐射能会直接影响到测温的准确度 发射 率低的物体比发射率高的物体受环境温度的影响大 所以当被测物体的 发射率较低时 测量精度将得不到保证 n i c r 板的发射率约为0 6 4 t 一 所以为了提高实验加热面的黑度 减少周围环境对测量准确性的影响 在n i c r 竖直发热板表面粘贴上黑 度0 9 5 的白色绘图纸 4 9 1 1 9 华南理下大学硕士学位论文 3 空气的影响 物体所发出的热辐射在到达探测系统的过程中要穿 过大气层 红外线能量在穿透大气层时 会被空气吸收 散射而衰减 特别是水分和二氧化碳 空气中 氧化碳的含量基本不变 水分含量随 空气湿度变化 所以需要测量实验时的空气湿度 红外热像仪可以根据 空气湿度进行计算补偿 本实验中使用湿球温度计测量空气的湿度 使用红外热像仪测量温度时 可以在红外热像仪上设置监测点 和监 测区域来监测测量区域的温度变化 我们在纵向涡发生器前 中间 后 设置了三个监测点i 把纵向涡发生器影响的核心区域设置为监测区域 当三个监测点的温度和监测区域的平均温度在三分钟内 变化幅度小于 0 1 时 我们认为对流换热已处于稳定状态 每次改变工况后 大约需 要2 0 分钟 实验面就可以达到稳定状态 对实验面两侧都进行测量 温 度测量值取两次测量值的平均值 由t h e r m a c a ms c 2 0 0 0 红外热像仪拍摄到的红外热像图可以通过 f u r 公司提供的a g e l i ar e p o r t 分析软件来处理所获得的温度信息 a e m ar e p o r t 分析软件功能强大界面友好 使用户可以轻松的处理红外 热像图 得到有用的信息 具体使用见a g e m ar e p o r t 分析软件用户手 册 5 0j 2 1 4 纵向涡发生器 图2 2 直角三角翼对纵向涡发生器 f i 9 2 2 w i n g l e tl o n g i t u d i n a l v o r t e x 本实验中选用直角三角 翼对纵向涡发生器进行实验研 究 直角三角翼对纵向涡发生 器由两片对称布置的直角三角 翼组成 见图2 2 翼前端 距为s 2 m m 定义直角三角翼 底边与来流方向的夹角为攻角 a 在纵向涡发生器强化竖直 平板自然对流换热中 n 在45 度附近 换热系数有极大值 1 g n 8 故本实验中纵向涡发生器的攻 角a 都取4 5 度 纵向涡发生器 用硬纸片做成 垂直粘贴在实验板上 工程中应用的纵向涡发生器一般 用铁片做成 具有扩展换热面的作用 本实验为突出纵向涡对换热的影 响 使用热阻较大的硬纸片制成纵向涡发生器 降低了其扩展受热面的 第二章多排纵向涡发生器强化竖直平板自然对流换热的实验研究 作用 可以认为直角三角翼对纵向涡发生器对对流换热的影响仅是由它 t j l 起产生的纵向涡旋的影响 实验研究区域为中问的纵向涡发生器的影 响范围 在其两侧布置的纵向涡发生器大大降低了发热板横向导热的影 响和实验面两侧空气流动的影响 提高了实验准确度 2 2 实验与结果讨论 2 2 1 平均换热系数的计算 实验面发热板的换热量包括辐射换热量q r a d 和对流换热量瓯 其中 辐射换热量q 可根据大空闻内的小物体辐射换热计算公式计算 1 q 28 a 吨6 7 8 1 1 0 0 1 4 一 盖 4 2 一1 上式中 e 为物体的发射率 a 为物体的辐射表面积 t 为物体表 面温度 t 为环境温度 根据牛顿冷却定律 q 瓦一疋 4 2 2 为发热板在区域a 见图2 3 图2 4 内的对流换热量 h 为 在区域a 内的平均换热系数 瓦为发热板在域a 内的平均温度 t 为环 境温度 a 为换热面积 由 2 2 式可以求取区域a 内的平均换热系数 h 2 2 2 竖直平板自然对流理论近似解与实验计算结果的比较 根据恒热流自然对流竖直平板理论近似解计算公式m 船卜s 蒜1 赫4 3 7 p r 9 6 2