纵向涡发生器对翅片管流动和传热的影响

纵向涡发生器对翅片管流动和传热的影响

1带三角形小翼的翅片管换热器的数值研究采用复合叶收获机广泛应用于寒冷、化工、汽车等行业。翅片管换热器空气侧的换热一直以来是该领域的研究重点。发展边界层、形成涡流、增加扰动是常用的增强换热手段,纵向涡发生器(以下简称LVGs)同时满足以上三种强化传热的机理。另一方面,LVGs便于加工的特点使得其在近十年来得到的研究和应用越来越多。对纵向涡的研究包括数值模拟和实验研究。Jacobi和Shah对纵向涡在翅片管换热器的应用给予了充分的文献分析。Leu等人用数值和实验的方法对一个放置于管后的LVGs进行了研究,他们认为纵向涡可以在换热较弱的区域对换热有所提高。Chu等人用数值模拟的方法对一个带有三角形小翼的LVGs的翅片管进行了研究。文章研究了多种参数,比如不同的侵入角,不同的放置方式,不同的的管排数等。文章认为当小翼处于管下游,侵入角为30°,而且管排数最小的时候可以获得最大的换热增加。Sommers和Jacobi通过实验完成了一个提高带有涡发生器的翅片管换热器传热性能的研究,研究发现,在空气侧Re数处于500～1300的时候,采用了涡发生器可以使得空气侧的热阻下降35-42%。Torii等人通过实验对一个带有三角形小翼的LVGs的翅片管换热器进行了研究。文章分别针对顺排和叉排的管路排列进行了测试,他们发现放置于叉排管后列的小翼可以使得传热增加30～10%,压力损失减少55～34%。武俊梅和陶文铨对一个带有LVGs的三排管的翅片管换热器进行了数值研究并用场协同理论进行了分析。文章认为,但从换热的角度考虑,冲角为45°的三角形小翼好于冲角为30°的三角形小翼,三角形小翼在顺排式翅片管换热器中的强化效果好于叉排。Jang和Wu对一个四排管的平直翅片管换热器进行了数值和实验研究。本文的研究将与其模拟结果进行对比分析。前文所提到的三角形小翼和其他的几种常用的LVGs如图1所示。从已有的文献分析可以看出,大多数的文献仅针对一排管进行。这对于揭示多排管的换热是不够的。文献中多数仅针对单一参数进行,而现有文献中没有见到对于矩形小翼用作LVGs的研究。本文将针对带有矩形小翼、叉排、管排数为4的翅片管换热器进行研究,以期得到相关的流动和换热数据,为该类型的翅片管设计积累经验。2层流状态的控制方程本文所计算的Re数(基于迎面风速和翅片间距的两倍)在2000以下,流动处于层流状态,同时假设过程是稳态过程。所用控制方程包括三维、稳态、常物性的连续性方程、动量方程、无内热源的能量方程。这些控制方程在现有文献中已有充分介绍,本文不再列出。圆管材料为铜,翅片材料为铝。本文采用商用CFD软件FLUENT计算。2.1计算区域的选取所计算的LVGs的翅片管换热器的结构示意图如图2所示。矩形小翼放置在每个圆管的侧后方。由于对称性,选择如图剖面线部分作为计算区域。进口为速度进口,温度均匀分布,横向速度为0。出口为自由流出口,为了防止回流出现,实际计算中出口区域作了一定的延长。翅片壁面为无滑移绝热边界条件,前后管壁区为无滑移恒温壁边界条件,流体区域的上、下面为对称边界条件。为了便于对比,计算数据与文献中工况之一相对应,具体数据见表1。2.2网格划分网格划分如图3所示,采用非结构化的六面体网格,管壁和LVGs附近网格加密。经独立化检验后计算网格数为48037(a=45)。3计算与分析3.1进口风速对传热过程的影响图4和图5分别给出了本文与Jang等人研究结果的对比。文献对平直翅片管的传热和压降特性分别采用了实验和模拟两种手段来研究,结果显示二者吻合较好。本文的数值模拟采取和文献中的其中一种相同(翅片间距为2.45mm),在其平直翅片基础上加了冲角为45°,矩形小翼LVGs放置在圆管下游。从模拟结果可以看出,加了LVGs后,换热系数有显著提高,对于不同的进风风速,增加值在10.4～24.6%之间,并且随着进口风速的增大,换热系数增加的幅度更大。与此同时,如图5所示,压力下降的增加也很明显,不同的进口风速带来的压降增加在30.5～57.2%范围内。对于普通平直翅片而言,空气阻力主要来自圆管的形状阻力和翅片管的表面摩擦力,加入LVGs之后,LVGs本身带来的一定的形状阻力导致总的压降增加明显。3.2冲角的影响为了研究不同冲角(即图2(c)所示的a值)对传热和流动的影响,本部分将对三种不同冲角的LVGs(30°、45°、60°)放置在圆管下缘的计算结果进行讨论。如图6所示,对于三种不同的冲角,Nu数随着Re的增加都呈上升趋势。对于不同的Re而言,在冲角为30°时Nu值最大,45°时有所下降,60°时则最小。一般来说,纵向涡产生的同时还伴随横向涡的发生,很明显,如果冲角越大,横向涡的效应就越大,这从图7中可以更明显地看出来。图7给出了相同Re数下不同的流线图,对于30°冲角而言,LVGs后的横向涡不太明显,而60°时可以清晰看出LVGs后有明显的横向涡。横向涡不会向纵向涡那样带来三维的旋流从而导致换热大幅增加。矩形小翼的LVGS,在产生纵向涡的同时对空气来流有一定的阻挡和引导作用。这从图8中可以看出。LVGS的存在一方面使得空气来流在圆管后缘与圆管分离时产生了滞后,另一方面使得空气更大面积地流向下一排管的前缘。如果没有LVGS,圆管后面的尾涡清晰可见文献,对于翅片管的换热而言,这一尾涡区域是不希望被看到的。很明显,LVGS的加入使得这一问题得到较好的改善,换热效果得以提高。对三种不同的冲角(见图8)的比较来看,温度分布的整体趋势基本一致。随着管排数的增加,空气温度值依次降低。较高温度分布的区域随着角度的增加依次降低。冲角为60°时,仅靠着LVGS下游的低温区域面积最大,LVGS下游的圆管管壁处的温度值与另两个角度相差不大。从总体效果来看,加入LVGS后翅片中心面的温度分布都得到了较好的改善,而冲角为30°时对于换热的改善最好。4冲角对小翼性能的影响(1)与不带LVGS相比,相同尺寸的翅片管换热器,矩形小翼可以提高管-翅表面的换热特性。冲角为45°时,可以提高换热系数达