換熱通道內(nèi)縱向渦干涉及其流動與強化傳熱特性數(shù)值研究.pdf

1、不斷改進和發(fā)展新的強化傳熱技術(shù)不僅有助于提高緊湊式換熱器的性能而且是節(jié)能的必然要求。含有縱向渦的流動是流體動力學和傳熱中的一個重要物理現(xiàn)象，是一種有效的強化換熱流動結(jié)構(gòu)?？v向渦是指渦的旋轉(zhuǎn)軸與流動方向或主流方向平行的渦，因其能以相對較小的阻力損失獲得較大的強化傳熱效果，在管翅換熱器翅片強化傳熱技術(shù)中被廣泛應用?？v向渦的強化傳熱效果與縱向渦的強度有關(guān)，由于縱向渦在傳輸過程中強度不斷衰減，為提高換熱器通道內(nèi)縱向渦的強度，通常要按一定規(guī)律布置

2、多個縱向渦產(chǎn)生器。渦產(chǎn)生器布置方式不同時，在通道內(nèi)形成縱向渦的旋轉(zhuǎn)方向也不同。當通道內(nèi)縱向渦間距離較近時，相同旋轉(zhuǎn)方向和相反旋轉(zhuǎn)方向縱向渦之間就存在不同程度的相互干涉，干涉影響到縱向渦的強度及其強化傳熱效果。由于縱向渦受到渦產(chǎn)生器的形狀、參數(shù)、布置方式、攻擊角、翅片間距等較多參數(shù)的影響，因此縱向渦運動較為復雜。一直以來對縱向渦的研究主要集中在應用上，而對縱向渦干涉流動結(jié)構(gòu)、縱向渦干涉對縱向渦強度和強化傳熱的定量研究較少。較早研究中由于缺

3、乏縱向渦強度描述參數(shù)，關(guān)于縱向渦應用的研究大多忽略了縱向渦之間的干涉，使得對渦干涉的研究主要停留在實驗觀察和定性分析層面上。因此，研究縱向渦干涉對流動與傳熱的影響有助于對渦干涉及其強化傳熱機理的深入認識，對進一步提高換熱器的性能具有重要意義。本文首先對二次流強度無量綱數(shù)Se進行了定義并分析了Se描述二次流強度的普遍適用性，定義了用于描述縱向渦間干涉的參數(shù)干涉系數(shù)Ir；然后以機車車輛中采用渦產(chǎn)生器強化傳熱技術(shù)的換熱器為研究對象，通過 Se

4、定量的研究了換熱通道內(nèi)旋轉(zhuǎn)方向相反、旋轉(zhuǎn)方向相同的兩個縱向渦之間的干涉以及扁管換熱通道內(nèi)多個旋轉(zhuǎn)方向相同、相反縱向渦之間的干涉現(xiàn)象；對相同、相反旋轉(zhuǎn)方向縱向渦間干涉對流動結(jié)構(gòu)、縱向渦強度、強化傳熱、流動阻力的影響以及縱向渦干涉與Ir之間的關(guān)系進行了詳細的分析，對縱向渦間干涉現(xiàn)象有了新的認識。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴來流中兩個縱向渦相互干涉時，旋轉(zhuǎn)方向相反縱向渦的穩(wěn)定性較好，縱向渦干涉時未發(fā)生融合。而旋轉(zhuǎn)方向相同的兩個縱向渦相互

5、干涉時，縱向渦穩(wěn)定性較差，在縱向渦間干涉時發(fā)生融合現(xiàn)象，干涉后縱向渦融合為一個縱向渦。⑵渦產(chǎn)生器間距相同時，旋轉(zhuǎn)方向相同、相反縱向渦之間的干涉程度不同，而旋轉(zhuǎn)方向相反與旋轉(zhuǎn)方向相同縱向渦間完全干涉時所對應的渦產(chǎn)生器間距以及縱向渦間干涉對縱向渦強度以及換熱強度的影響也不同。⑶旋轉(zhuǎn)方向相反縱向渦發(fā)生部分干涉并形成明顯的向壁型流場時，縱向渦間干涉有利于翅片表面?zhèn)鳠?。旋轉(zhuǎn)方向相反縱向渦干涉后形成的流場結(jié)構(gòu)不同時，流場結(jié)構(gòu)對翅片表面強化傳熱的影響

6、也不相同。相反旋轉(zhuǎn)方向縱向渦干涉后誘導縱向渦間流體流向下翅片表面時，有利于下翅片表面換熱，而當相反旋轉(zhuǎn)方向縱向渦干涉后誘導流體離開下翅片表面時，不利于下翅片表面換熱但有利于上翅片表面換熱。旋轉(zhuǎn)方向相同的縱向渦間干涉形成的流場結(jié)構(gòu)不利于翅片表面換熱。⑷縱向渦間發(fā)生完全干涉時，縱向渦干涉不利于翅片換熱。相同、相反旋轉(zhuǎn)方向縱向渦間完全干涉時對 Se，Nu和f的影響程度不同。在旋轉(zhuǎn)方向相反的兩個縱向渦間完全干涉時，計算區(qū)域內(nèi)平均縱向渦強度Se最

7、大衰減超過40％，Nu和f分別減小6%和2%。而旋轉(zhuǎn)方向相同的兩個縱向渦間完全干涉時，計算區(qū)域內(nèi)平均縱向渦強度Se最大減小18%，平均Nu減小不足2.5%，而f基本不變。⑸旋轉(zhuǎn)方向相反的縱向渦間干涉對等流量、等壓降和等泵功條件下的綜合評價準則 JF的影響最大值分別達到5.0%，6.0%和6.3%。而旋轉(zhuǎn)方向相同縱向渦干涉對等流量、等壓降和等泵功條件下的綜合評價因子JF的影響很小，最大變化量分別為2.0%，2.3%和2.0%。⑹對于所研究

8、的扁管換熱器結(jié)構(gòu)，扁管同側(cè)渦產(chǎn)生器產(chǎn)生的縱向渦完全干涉后融合為一個縱向渦，而不同管排周圍渦產(chǎn)生器產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)方向相反的縱向渦干涉后形成不同流場結(jié)構(gòu)。渦產(chǎn)生器間距變化對不同管排周圍旋轉(zhuǎn)方向相反的縱向渦間干涉的影響最大。在旋轉(zhuǎn)方向相反縱向渦間完全干涉時，Se衰減13%，Nu減小10%，f減小7.6%。⑺扁管換熱器通道內(nèi)旋轉(zhuǎn)方向相反縱向渦間完全干涉時，對應的渦產(chǎn)生器間距隨著渦產(chǎn)生器攻擊角的增大而減小。通道內(nèi)換熱強度與縱向渦強度有關(guān)，在翅片間距、

9、渦產(chǎn)生器高度、攻擊角、渦產(chǎn)生器間距變化時，Nu與Se之間存在線性對應關(guān)系，Nu與擬合式之間的最大誤差小于5%。扁管換熱器通道內(nèi)二次流強度決定換熱強度。⑻縱向渦干涉系數(shù)Ir可用于描述縱向渦間的干涉程度。Ir=0時，縱向渦間完全干涉，Se,Nu和f都達到最小值；在|Ir|<2時，縱向渦間的干涉比較顯著；在|Ir|大于2時，縱向渦間的干涉比較小。而在1<|Ir|<3時，相反旋轉(zhuǎn)方向縱向渦干涉對應的Nu要大于相同旋轉(zhuǎn)方向縱向渦干涉對應的Nu值，