衰減性旋流強(qiáng)化傳熱性能的研究

1、衰減性旋流強(qiáng)化傳熱性能的研究1 引言旋流強(qiáng)化傳熱是通過有效地形成不穩(wěn)定流和二次流以強(qiáng)化流體中微團(tuán)混合及減薄邊界層達(dá)到強(qiáng)化傳熱的目的。因?yàn)榕c無旋流動(dòng)相比，旋轉(zhuǎn)流體通過旋流形成的切向速度分量會(huì)影響到流體的湍流混合，在靠近壁面流體層中，流體由于慣性力的作用將使流體的湍流混合加強(qiáng)1，2；而且在旋流情況下壁面合成速度也相對(duì)較大，邊界層的厚度也相對(duì)較薄，從而提高了傳熱系數(shù)。旋流的形式主要有衰減性旋流和非衰減性旋流兩種。衰減性旋流一般是由放在流道進(jìn)口的旋流器形成的，衰減性旋流的流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律是在旋流器的出口處，旋流強(qiáng)度最大沿流體流動(dòng)方向的旋流強(qiáng)度逐漸衰減。形成衰減性旋流的入口旋流器一般適用于短管換熱器（L/D

2、5060），主要包括導(dǎo)葉式旋流器，切向槽旋流器等。由于入口旋流器具有安裝維修方便，流動(dòng)阻力較小等特點(diǎn)3。因此，對(duì)于電廠鍋爐和余熱鍋爐中煙管式空預(yù)器等換熱裝置，應(yīng)用衰減性旋流器具有明顯優(yōu)勢(shì)。前人雖對(duì)采用管內(nèi)旋流的傳熱和阻力增加情況作過一定的研究48，但研究結(jié)果不盡一致，有些認(rèn)為由于阻力的增加比換熱能力的增加要快，因而采用旋流后總的熱力性能指標(biāo)無法提高；也有一些研究結(jié)果表明只要參數(shù)選擇合理，旋流強(qiáng)度選擇合適，還是可以得到較好的熱力性能指標(biāo)的。由于上述研究的管內(nèi)旋流衰減速度較快，影響了其總體傳熱性能。因而本文提出利用管內(nèi)內(nèi)置同心管形成環(huán)形流道以減緩旋流的衰減，從而改善衰減性旋流的傳熱性能，有關(guān)這方面

3、的研究還未見有報(bào)道。本文重點(diǎn)對(duì)于環(huán)形流道內(nèi)衰減性旋流強(qiáng)化傳熱性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并對(duì)不同衰減性旋流發(fā)生方式及其綜合熱力性能做出評(píng)價(jià)，得出了對(duì)于環(huán)形流道內(nèi)衰減性旋流強(qiáng)化傳熱應(yīng)用具有實(shí)際指導(dǎo)作用的研究結(jié)果，對(duì)于空氣預(yù)熱器性能改善設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)作用。2 試驗(yàn)裝置及方法本文采用的試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。該系統(tǒng)由傳熱試驗(yàn)段、氣路系統(tǒng)、電加熱系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。傳熱試驗(yàn)段主要包括電加熱芯體、保溫層等部分（如圖2所示）。實(shí)驗(yàn)中衰減性旋流是利用軸向?qū)~旋流器，切向?qū)~旋流器和切向槽式旋流器進(jìn)口來實(shí)現(xiàn)的，圖3中示出了所采用的3種不同的旋流器進(jìn)口裝置。流轉(zhuǎn)流體的旋流強(qiáng)度一般可用旋流數(shù)S表示，定義為9式中 R1，R2

4、分別為環(huán)形流道內(nèi)外管半徑，m；L1為常數(shù)，L1=/8；Vz，V分別是氣流的軸向和切向速度分量，m/s。在給定風(fēng)量下，調(diào)節(jié)調(diào)壓器使系統(tǒng)達(dá)到一定的電熱功率，待換熱工況達(dá)到穩(wěn)定后，測(cè)出換熱段進(jìn)出口的壓差DP、進(jìn)出口處的風(fēng)溫及電熱棒外壁面的溫度（測(cè)多點(diǎn)溫度求平均值，壁溫的測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示）。由進(jìn)出口風(fēng)溫可計(jì)算出空氣的吸熱量，并與電加熱功率作一比較，若兩者相近則表明系統(tǒng)的誤差較小。試驗(yàn)結(jié)果表明在所有工況下計(jì)算所得空氣吸熱量與電加熱功率很接近，從而說明本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有一定的可靠性。由測(cè)得的壓降DP可計(jì)算出試驗(yàn)段的范寧當(dāng)量摩擦系數(shù)f，計(jì)算公式為3式中 P為不包含旋流器局部阻力損失的壓差，Pa；G為空氣的

5、質(zhì)量流量，kg/s；L為試驗(yàn)段長(zhǎng)度，m；rn為流道的當(dāng)量半徑，m；平均密度的倒數(shù)為表征衰減性旋流強(qiáng)度在流道內(nèi)的衰減程度，在這里將L/D=010間的平均旋流強(qiáng)度與進(jìn)口旋流強(qiáng)度之比定義為旋流衰減指標(biāo)值為D為環(huán)形流道的當(dāng)量直徑，m。S*的數(shù)值越大說明旋流的衰減速度越慢。3 試驗(yàn)結(jié)果及討論3.1 旋轉(zhuǎn)流體的旋流衰減特性通過進(jìn)口段旋流器產(chǎn)生衰減性旋流在環(huán)形流道內(nèi)自由地以螺旋線的軌跡向前運(yùn)動(dòng)，旋流強(qiáng)度隨流動(dòng)方向逐漸衰減。圖4為在進(jìn)口旋流強(qiáng)度Sin=3.2和環(huán)形流道長(zhǎng)度L=0.5 m條件下，軸向?qū)~式旋流器生成旋流的衰減指標(biāo)值S*與Re數(shù)（Re數(shù)均根據(jù)環(huán)形流道內(nèi)軸向風(fēng)速計(jì)算）的關(guān)系曲線。從圖中可看出，S*隨

6、Re數(shù)的提高而增大，表明提高Re數(shù)有利于保持流體原有運(yùn)行方向，抑制旋流數(shù)的衰減。這與前人對(duì)管內(nèi)旋流衰減研究結(jié)果一致7。說明從Re數(shù)的影響角度而言，環(huán)形流道內(nèi)的旋轉(zhuǎn)流體的衰減特性與管內(nèi)旋流一致。即管內(nèi)旋流自由衰減應(yīng)滿足式中 x/D為與旋流器的相對(duì)距離；a，b為常數(shù)。按式（6）形式可歸納出軸向?qū)~式旋流器在環(huán)形流道內(nèi)生成衰減性旋流的衰減指標(biāo)值S*與Re數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式為式（7）的適用范圍為Re=1000025000，誤差范圍為±9.5%。在實(shí)際裝置中利用衰減性旋流強(qiáng)化傳熱時(shí)，對(duì)于Re數(shù)選取還要考慮溫度、阻力損失等性能指標(biāo)的要求。對(duì)于多入口的切向槽旋流器旋流強(qiáng)度的研究（見圖5）可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)R

7、e=11000和Sin=3.8時(shí)，隨切向槽進(jìn)口數(shù)由1增至3，旋流強(qiáng)度的衰減程度略有下降。因?yàn)榍邢虿坌髌鬟M(jìn)口數(shù)目增加，可使旋流器切向布風(fēng)更趨均勻，從而避免局部切向風(fēng)速過高而引起衰減過快。圖6顯示單切向槽旋流器進(jìn)口旋流強(qiáng)度Sin對(duì)S*的影響曲線（Re=11000）。當(dāng)進(jìn)口旋流強(qiáng)度Sin低于某一臨界值時(shí)，隨進(jìn)口旋流強(qiáng)度提高，S*增大，說明此時(shí)進(jìn)口旋流強(qiáng)度的提高有助于保持旋流的剛性，延緩旋流衰減；但進(jìn)口旋流強(qiáng)度Sin高于某一臨界值后，隨進(jìn)口旋流強(qiáng)度提高S*明顯降低， 因?yàn)檫M(jìn)口旋流強(qiáng)度過大，使進(jìn)口的切向風(fēng)速提高，從而造成摩擦阻力升高，最終導(dǎo)致切向風(fēng)速衰減程度更加劇烈。圖7顯示軸向?qū)~式旋流器生成的旋流

8、在環(huán)形流道間距DR為1550mm范圍內(nèi)的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果（Re=11000和Sin=3.2），由圖可見，減小環(huán)形流道的間距，有利抑制切向風(fēng)速的衰減，因?yàn)檩^窄的環(huán)形流道間距能保持流體的流動(dòng)穩(wěn)定性，避免流體紊亂度提高而導(dǎo)致切向速度的衰減。但過窄的環(huán)形流道將會(huì)使摩擦阻力損失急驟上升，從而降低旋流強(qiáng)度。3.2 旋轉(zhuǎn)流體的傳熱和阻力特性圖8是切向槽旋流器產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)流體傳熱Nu數(shù)與無旋流體Nu0數(shù)之比Nu/Nu0隨Re數(shù)的變化曲線（流道間距DR=25 mm）。由圖可見，旋轉(zhuǎn)流體與無旋流體相比可提高傳熱系數(shù)15%70%，Nu/Nu0隨進(jìn)口旋流數(shù)Sin和Re數(shù)的增大而提高。后者因?yàn)檩^高Re數(shù)以較大距離地維持進(jìn)口旋

9、流強(qiáng)度，從而導(dǎo)致整個(gè)實(shí)驗(yàn)段內(nèi)的平均換熱量的提高。研究結(jié)果與旋流強(qiáng)度流動(dòng)過程衰減規(guī)律相一致。Nu/Nu0隨Sin提高而增大，說明較高的進(jìn)口旋流強(qiáng)度可產(chǎn)生好的強(qiáng)化傳熱效果，也再次驗(yàn)證了旋轉(zhuǎn)的流體有利于傳熱的強(qiáng)化。研究表明旋流強(qiáng)化傳熱的性能與進(jìn)口旋流數(shù)Sin和Re數(shù)有關(guān)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可擬合得環(huán)形流道內(nèi)切向槽旋流器產(chǎn)生的單相旋轉(zhuǎn)氣流與內(nèi)壁面?zhèn)鳠岬慕?jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式為式中n=0.1616lnRe-1.40。（9）適用范圍為Re=10，00022，000，Sin=033.28，最大誤差小于10%。圖9為單切向槽旋流器，環(huán)形流道間距DR=25 mm時(shí)不同旋流強(qiáng)度下的阻力特性曲線。進(jìn)口旋流數(shù)Sin=10.6時(shí)，阻力

10、損失提高2.52.9倍；Sin=33.28時(shí)，阻力損失提高3.96.2倍。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可歸納出單切向槽旋流器產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)氣流阻力特性的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式為適用范圍為Re=5，00023，000，Sin=033.2，誤差范圍為±7.6%。圖10為軸向葉片旋流器R=15mm時(shí)的阻力特性曲線，當(dāng)旋流數(shù)Sin=3.2時(shí)，阻力損失提高1.141.5倍；當(dāng)Sin=10.2時(shí)，阻力損失提高2.12.53倍。經(jīng)比較可看出，旋流強(qiáng)度提高將使阻力損失上升，但是軸向葉片旋流器產(chǎn)生旋流的阻力損失低于切向槽旋流器，分析原因主要是切向槽旋流器產(chǎn)生旋流的均勻性較差。已有實(shí)驗(yàn)表明，切向槽旋流器旋流存在較明顯的徑向速度梯度。從

11、而易形成局部流速過高導(dǎo)致阻力損失提高。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可歸納出軸向葉片式旋流器產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)氣流阻力特性的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式為適用范圍為Re=5，00023，000，Sin=010.2，誤差范圍為±8.5%。3.3 旋流發(fā)生形式對(duì)傳熱性能的影響旋流的產(chǎn)生和形成的方式將對(duì)旋轉(zhuǎn)流體的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響，從而導(dǎo)致強(qiáng)化傳熱效果的差異。利用單位熵產(chǎn)分析法10對(duì)于切向槽旋流器、軸向葉片旋流器和切向葉片旋流器在傳熱效果上的差異進(jìn)行分析。結(jié)果由表1所示。比較實(shí)踐結(jié)果表明，在相同的旋流器強(qiáng)度下， 3種旋流器的傳熱系數(shù)，阻力損失和單位熵產(chǎn)N均不相同。切向槽旋流器傳熱系數(shù)最高；但軸向葉片式旋流器單位阻力損失P最小。單位熵

12、產(chǎn)3種旋流器由小至大的順序?yàn)椋狠S向葉片式旋流器<切向槽旋流器<切向葉片式旋流器。所以軸向葉片式旋流器綜合熱力性最好，而切向葉片式旋流器較差。但在實(shí)際應(yīng)用過程中，由于綜合考慮了其它因素（如除塵效率、結(jié)構(gòu)布置等）切向槽旋流器還具有一定的應(yīng)用價(jià)值。4 結(jié)論從上述實(shí)驗(yàn)，可以較清晰地歸納出環(huán)形流道內(nèi)衰減性旋流及其發(fā)生裝置的一些特性： 衰減性旋流強(qiáng)度隨流動(dòng)方向逐漸衰減，但較高的Re數(shù)有利于抑制這種衰減。合適的環(huán)形流道間距和一定切向槽口數(shù)目，有助于維持旋轉(zhuǎn)流體的旋流強(qiáng)度。提高旋流強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生較好的傳熱效果，但同樣也使流動(dòng)阻力提高。切向槽旋流器，軸向葉片式旋流器和切向葉片式旋流器的傳熱和流動(dòng)性能各不

13、相同，用熱力學(xué)第二定律分析的結(jié)果顯示，軸向葉式旋流器的熱力性能最佳。參考文獻(xiàn)1 吳錘結(jié)，馬揚(yáng)暉（Wu Chuijie， Ma Yanghui）.旋渦，湍流和自由表面的相互作用（Interaction between vortices， turbulence and free surfaces）J.力學(xué)進(jìn)展（Advance in Mechanics）， 1997， 27（3）：342-357.2 夏南（Xia Nan）. Rayleigh穩(wěn)定性準(zhǔn)則的一種推廣（An extension of Rayleighs stability criterion） J.力學(xué)與實(shí)踐（Mechanics and

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