帶有縱向渦發(fā)生器的翅片管的流動(dòng)與傳熱數(shù)值研究

1、低溫與超導(dǎo)第38卷第4期制冷技術(shù)Cryo.&Supercond.帶有縱向渦發(fā)生器的翅片管的流動(dòng)與傳熱數(shù)值研究鹿世化,李奇賀(南京師范大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院,南京210042)摘要:用三維數(shù)值的研究方法對(duì)帶有縱向渦發(fā)生器的翅片管流動(dòng)和傳熱進(jìn)行了數(shù)值研究。研究發(fā)現(xiàn),使用了45°沖角的矩形小翼縱向渦發(fā)生器可以使得翅片管的傳熱增加10.4-24.6%,同時(shí)相應(yīng)的壓力損失增加30.5-57.2%。研究了不同的沖角(a=30,45,60)對(duì)于管翅間換熱和流動(dòng)的影響,結(jié)果顯示沖角為30°時(shí)效果最好。關(guān)鍵詞:縱向渦;強(qiáng)化傳熱;數(shù)值模擬Numericalanalysisoffin-and-

2、tubeheatexchangerwithlongitudinalvortextorsLuShihua,LiQihe(PowerEngineeringSchool,NanjingNormalAbstract:Heattransfercharacteristicsandfluidflowstructureof-tubelongitudinalvortexgenerators(LVGs)werestudiednumerically.Theeffectofnu(fromt),theattackangle(30°,45°)ofrectangularwingletwereexamin

3、ed.Itwascoefficientforthefour-rowfin-and-and60°tubeheatexchangerwithLVGsincreases.4-24.overcaseandthecorrespondingpressurelossincreasedby30.4-57.2%.Inadditiofrectangularwingletwiththeattackangleof30°ismoreobviousthanothertwo.Generators(LVGs),Heattransferenhancement,Numericalsimulation1前言翅片

4、管換熱器在制冷、化工、汽車等工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。翅片管換熱器空氣側(cè)的換熱一直以來是該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。發(fā)展邊界層、形成渦流、增加擾動(dòng)是常用的增強(qiáng)換熱手段,縱向渦發(fā)生器(以下簡(jiǎn)稱LVGs)同時(shí)滿足以上三種強(qiáng)化傳熱的機(jī)理。另一方面,LVGs便于加工的特點(diǎn)使得其在近十年來得到的研究和應(yīng)用越來越多。對(duì)縱向渦的研究包括數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究1-6角,不同的放置方式,不同的的管排數(shù)等。文章認(rèn)為當(dāng)小翼處于管下游,侵入角為30°,而且管排數(shù)最小的時(shí)候可以獲得最大的換熱增加。Sommers和Jacobi通過實(shí)驗(yàn)完成了一個(gè)提高帶有渦發(fā)生器的翅片管換熱器傳熱性能的研究,研究發(fā)現(xiàn),在空氣側(cè)Re數(shù)處于5001300的

5、時(shí)候,采用了渦發(fā)生器可以使得空氣側(cè)的熱阻下降35-42%。To25rii等人通過實(shí)驗(yàn)對(duì)一個(gè)帶有三角形小翼的LVGs的翅片管換熱器進(jìn)行了研究。文章分別針4。Jacobi和Shah對(duì)縱向渦在翅片管換熱21器的應(yīng)用給予了充分的文獻(xiàn)分析。Leu等人用數(shù)值和實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)一個(gè)放置于管后的LVGs進(jìn)行了研究,他們認(rèn)為縱向渦可以在換熱較弱的區(qū)域?qū)Q熱有所提高。Chu等人用數(shù)值模擬的方法對(duì)一個(gè)帶有三角形小翼的LVGs的翅片管進(jìn)行了研究。文章研究了多種參數(shù),比如不同的侵入收稿日期:2010-01-223對(duì)順排和叉排的管路排列進(jìn)行了測(cè)試,他們發(fā)現(xiàn)放置于叉排管后列的小翼可以使得傳熱增加3010%,壓力損失減少5534

6、%。武俊梅和陶文6銓對(duì)一個(gè)帶有LVGs的三排管的翅片管換熱器進(jìn)行了數(shù)值研究并用場(chǎng)協(xié)同理論進(jìn)行了分析。文章認(rèn)為,但從換熱的角度考慮,沖角為45°的三角形小翼好于沖角為30°的三角形小翼,三角形小翼在順排式翅片管換熱器中的強(qiáng)化效果好于叉作者簡(jiǎn)介:鹿世化(1977-),男,講師,在讀博士,研究方向?yàn)橹评淇照{(diào)、空氣品質(zhì)、建筑節(jié)能。第4期制冷技術(shù)Refrigeration67排。Jang和Wu對(duì)一個(gè)四排管的平直翅片管換熱器進(jìn)行了數(shù)值和實(shí)驗(yàn)研究。本文的研究將與其模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。前文所提到的三角形小翼和其他的幾種常用的LVGs如圖1所示。從已有的文獻(xiàn)分析可以看出,大多數(shù)的文獻(xiàn)僅針對(duì)

7、一排管進(jìn)行。這對(duì)于揭示多排管的換熱是不夠的。文獻(xiàn)中多數(shù)僅針對(duì)單一參數(shù)進(jìn)行,而現(xiàn)有文獻(xiàn)中沒有見到對(duì)于矩形小翼用作LVGs的研究。7(a)-計(jì)算區(qū)域(a)-三角形小翼;(b)-矩形小翼;(c)-矩形小翅;()-三角形小翅圖1四種不同的Fig.1s(b)-矩形小翼側(cè)視圖、4,以期得到相關(guān)的流動(dòng)和換熱數(shù)據(jù),。(c)-沖角示意圖圖2計(jì)算區(qū)域示意圖2計(jì)算方法本文所計(jì)算的Re數(shù)(基于迎面風(fēng)速和翅片間距的兩倍)在2000以下,流動(dòng)處于層流狀態(tài),同時(shí)假設(shè)過程是穩(wěn)態(tài)過程。所用控制方程包括三維、穩(wěn)態(tài)、常物性的連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、無內(nèi)熱源的能量方程。這些控制方程在現(xiàn)有文獻(xiàn)中已有充分介紹,本文不再列出。圓管材料為銅,

8、翅片材料為鋁。本文采用商用CFD軟件FLUENT計(jì)算。2.1計(jì)算區(qū)域和邊界條件所計(jì)算的LVGs的翅片管換熱器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。矩形小翼放置在每個(gè)圓管的側(cè)后方。由于對(duì)稱性,選擇如圖剖面線部分作為計(jì)算區(qū)域。進(jìn)口為速度進(jìn)口,溫度均勻分布,橫向速度為0。出口為自由流出口,為了防止回流出現(xiàn),實(shí)際計(jì)算中出口區(qū)域作了一定的延長。翅片壁面為無滑移絕熱邊界條件,前后管壁區(qū)為無滑移恒溫壁邊界條件,流體區(qū)域的上、下面為對(duì)稱邊界條件。Fig.2Schematicdiagramofcomputationaldomain為了便于對(duì)比,計(jì)算數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)7中工況之一相對(duì)應(yīng),具體數(shù)據(jù)見表1。表1幾何尺寸和計(jì)算條件Tab.1

9、Geometricalparametersofthetestsections計(jì)算參數(shù)(單位)圓管外徑(mm)翅片間距(mm)縱向管間距(mm)橫向管間距(mm)管排數(shù)矩形小翼弦長(mm)矩形小翼高度(mm)管壁溫度(T)進(jìn)口空氣溫度(T)迎面風(fēng)速(m/s)數(shù)值15.92.543833452.543003401568第4期制冷技術(shù)Refrigeration2.2網(wǎng)格劃分壓降特性分別采用了實(shí)驗(yàn)和模擬兩種手段來研究,結(jié)果顯示二者吻合較好。本文的數(shù)值模擬采取和文獻(xiàn)7中的其中一種相同(翅片間距為2.45mm),在其平直翅片基礎(chǔ)上加了沖角為45°,矩形小翼LVGs放置在圓管下游。從模擬結(jié)果可以看

10、出,加了LVGs后,換熱系數(shù)有顯著提高,對(duì)于不同的進(jìn)風(fēng)風(fēng)速,增加值在10.424.6%之間,并且隨著進(jìn)口風(fēng)速的增大,換熱系數(shù)增加的幅度更大。與此同時(shí),如圖5所示,壓力下降的增加也很明顯,不同的進(jìn)口風(fēng)速帶來的壓降增加在30.557.2%范圍內(nèi)。對(duì)于普通平直翅片而言,空氣阻力主要來自圓管的形狀阻力和翅片管的表面摩擦力,加入LVGs,LVGs本身3.(2(c)所示的a值),本部分將對(duì)三種不同沖角)放置在圓管下緣的計(jì)算結(jié)(30°、45°、60°果進(jìn)行討論。如圖6所示,對(duì)于三種不同的沖角,Nu數(shù)隨著Re的增加都呈上升趨勢(shì)。對(duì)于不同的Re而言,在沖角為30°時(shí)Nu值

11、最大,45°時(shí)有所下降,60°時(shí)則最小。一般來說,縱向渦產(chǎn)生的同時(shí)還伴網(wǎng)格劃分如圖3所示,采用非結(jié)構(gòu)化的六面體網(wǎng)格,管壁和LVGs附近網(wǎng)格加密。經(jīng)獨(dú)立化檢驗(yàn)后計(jì)算網(wǎng)格數(shù)為48037(a=45)。圖3網(wǎng)格劃分Fig.3Computationgridsystem3計(jì)算結(jié)果與分析3.1縱向渦對(duì)于換熱和壓降的影響圖4不同迎面風(fēng)速下帶有LVGs和不帶LVGs的換熱系數(shù)比較Fig.4Modifiedcase-baselinecasecomparisonofNu隨橫向渦的發(fā)生,很明顯,如果沖角越大,橫向渦的效應(yīng)就越大,這從圖7中可以更明顯地看出來。圖7給出了相同Re數(shù)下不同的流線圖,對(duì)于

12、30°沖角而言,LVGs后的橫向渦不太明顯,而60°時(shí)可以清晰看出LVGs后有明顯的橫向渦。橫向渦不會(huì)向縱向渦那樣帶來三維的旋流從而導(dǎo)致?lián)Q熱8大幅增加。圖5不同迎面風(fēng)速下帶有LVGs和不帶LVGs的壓降比較Fig.5Modifiedcase-baselinecasecomparisonofp圖4和圖5分別給出了本文與Jang等人研究結(jié)果的對(duì)比。文獻(xiàn)7對(duì)平直翅片管的傳熱和7圖6不同沖角對(duì)Nu數(shù)的影響Fig.6InfluenceofattackangleonNu第4期制冷技術(shù)Refrigeration69(a)(b)(c)圖7Re=2000時(shí)不同沖角的翅片中心面流線圖(a.=3

13、0,b.=45,c.=)Fig.7Distributionofstreamlinesfora.=30,b.=45,c.圖8Re=2000時(shí)不同沖角的翅片中心面等溫圖(a.=30,b.=45,c.=60)Fig.8Distributionofisothermalsfora.=30,b.=45,c.=60矩形小翼的LVGS,在產(chǎn)生縱向渦的同時(shí)對(duì)空氣來流有一定的阻擋和引導(dǎo)作用。這從圖8中可以看出。LVGS的存在一方面使得空氣來流在圓管后緣與圓管分離時(shí)產(chǎn)生了滯后,另一方面使得空氣更大面積地流向下一排管的前緣。如果沒有LVGS,圓管后面的尾渦清晰可見文獻(xiàn)6,對(duì)于翅片管的換熱而言,這一尾渦區(qū)域是不希望被看

14、到的。很明顯,LVGS的加入使得這一問題得到較好的改善,換熱效果得以提高。對(duì)三種不同的沖角(見圖8)的比較來看,溫度分布的整體趨勢(shì)基本一致。隨著管排數(shù)的增加,空氣溫度值依次降低。較高溫度分布的區(qū)域隨著角度的增加依次降低。沖角為60°時(shí),僅靠著LVGS下游的低溫區(qū)域面積最大,LVGS下游的圓管管壁處的溫度值與另兩個(gè)角度相差不大。從總體效果來看,加入LVGS后翅片中心面的溫度分布都得到了較好的改善,而沖角為30°時(shí)對(duì)于換熱的改善最好。4結(jié)論(1)與不帶LVGS相比,相同尺寸的翅片管換熱器,矩形小翼可以提高管-翅表面的換熱特性。沖角為45°時(shí),可以提高換熱系數(shù)達(dá)到10.

15、424.6%。(2)對(duì)于不同沖角的矩形小翼來說,使得傳熱系數(shù)增大的同時(shí),同時(shí)帶來壓降的增加。(下轉(zhuǎn)72頁)72第4期其它Others論文中,有基金資助的論文占44.80%,2008年無基金資助的論文為130篇,2009年為105篇,去年比前年減少了25篇?？梢?所發(fā)表的論文中,基金論文呈上升趨勢(shì)。有上升的空間。(3)“低溫技術(shù)”和“超導(dǎo)技術(shù)”欄目的發(fā)稿數(shù)量所占比例還要提高。(4)青年學(xué)生的論文質(zhì)量上還有待于提高。(5)論文作者的地域分布還不均衡。(6)個(gè)別作者的保密觀念還不強(qiáng)。因此,我們建議要從以上六個(gè)方面入手,加以改進(jìn),以提高辦刊質(zhì)量。光陰似箭,時(shí)不我待;科技發(fā)展,日新月異。如何見證“低溫技

16、術(shù)”、“超導(dǎo)技術(shù)”、“制冷技術(shù)”三大領(lǐng)域的飛速發(fā)展,我們還有諸多工作需要?jiǎng)?chuàng)新!這方面,離不開作者特別是青年人的大力支持?？傊?以雜志做為平臺(tái),1趙琪,張以民,周愛蓮,等.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)(中文版)作7討論通過對(duì)以上6幅表格的分析,我們認(rèn)為:兩年所發(fā)的論文整體上說,質(zhì)量較高,作者具有較高的學(xué)術(shù)水平。雜志也取得了優(yōu)良的社會(huì)效益。這對(duì)于一家基層研究所來說,實(shí)屬不易!特別是全國知名的大學(xué)/學(xué)院、研究所對(duì)一家基層研究所所主編的期刊情有獨(dú)鐘,踴躍投稿。這對(duì)提高低溫與超導(dǎo)的知名度和期刊質(zhì)量起到了決定性的作用。一些大學(xué)和研究所對(duì)低溫與超導(dǎo)給予了肯定和較高的評(píng)價(jià)。但與此同時(shí),我們也清醒地認(rèn)識(shí)到,與國內(nèi)一流期刊相比,

17、我們期刊還有差距和不足表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:(1)(2),(上接69頁)(3)對(duì)不同沖角的矩形小翼研究發(fā)現(xiàn),沖角者群分析J.中國科技期刊研究,2009,20(1):82-84.malEngineering,2009,29:859-876.4SommersAD,JacobiAM.Air-sideheattransferen2hancementofarefrigeratorevaporatorusingvortexgen2erationJ.Int.J.Refrig.,2005,28:1006-1017.5ToriiK,KwakKM,NishinoK.Heattransferenhance2menta

18、ccompanyingpressure-lossreductionwithwing2let-typevortexgeneratorsforfin-tubeheatexchangersJ.Int.J.HeatMassTransfer,2002,45:3795-3801.6武俊梅,陶文銓.縱向渦強(qiáng)化傳熱的數(shù)值研究及場(chǎng)協(xié)為30°時(shí)取得的強(qiáng)化換熱效果最佳。(4)因?yàn)榫匦涡∫淼奶厥庑?在對(duì)該結(jié)構(gòu)的LVGS的換熱和流動(dòng)研究時(shí)應(yīng)考慮到小翼的導(dǎo)流作用。參考文獻(xiàn)1JacobiAM,ShahRK.Heattransfersurfaceenhance2mentthroughtheuseoflongitudinalvortices:AreviewofrecentprogressJ.Exp.Therm.FluidSci.,1995,11:295-