平板通道內(nèi)螺旋纖肋強(qiáng)化傳熱機(jī)理及傳熱特性研究.pdf

1、能源供應(yīng)局勢的緊張及環(huán)境壓力的不斷增大，使得節(jié)能減排已經(jīng)成為當(dāng)今世界共同關(guān)注的一個(gè)焦點(diǎn)問題，因此發(fā)展并采用節(jié)能高效的傳熱強(qiáng)化技術(shù)對于節(jié)約能源，提高能源利用效率具有非常重要的意義。本文通過對低Re數(shù)對流換熱特性的分析，提出了采用螺旋纖肋強(qiáng)化平板通道中對流換熱的新方式，并對其強(qiáng)化換熱的機(jī)理及傳熱特性進(jìn)行了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究。
　　 對低Re數(shù)對流換熱特性的分析發(fā)現(xiàn)，由于湍流強(qiáng)度較低時(shí)流體的溫降發(fā)生在整個(gè)通道截面上，導(dǎo)致對流換熱的熱阻

2、不僅存在于壁面附近，還存在于整個(gè)流體內(nèi)部，所以只改變壁面附近的流動已經(jīng)不能有效的強(qiáng)化傳熱，還需要增強(qiáng)對主流流體的擾動，以進(jìn)一步增強(qiáng)其溫度分布的均勻性。而螺旋纖肋在通道中等間隔排列可形成墊狀的填充層，類似于大孔隙率的多孔介質(zhì)，能同時(shí)增強(qiáng)對壁面流體和主流流體的擾動。
　　 基于上述分析，通過數(shù)值模擬對螺旋纖肋強(qiáng)化換熱的機(jī)理進(jìn)行了研究。數(shù)值模擬結(jié)果表明，螺旋纖肋由于其螺旋形的曲面造型，對繞流其肋絲的流體產(chǎn)生了非常有效的引導(dǎo)作用，在通道

3、中誘導(dǎo)生成了包括前緣縱向渦、主流縱向渦、貼壁縱向渦及中心縱向渦等一系列縱向渦在內(nèi)的多縱向渦流動。螺旋纖肋誘導(dǎo)生成的多縱向渦流動，一方面顯著增大了流體在垂直于主流方向上的速度分量，使其可達(dá)主流平均速度的20％左右，有助于增強(qiáng)流體內(nèi)部不同流層之間的微觀脈動，另一方面縱向渦所產(chǎn)生的輸運(yùn)作用，增強(qiáng)了壁面與主流之間直接的質(zhì)量交換，兩方面因素既促進(jìn)了壁面熱量的快速遷移，又加快了流體內(nèi)部的熱量擴(kuò)散，從而使得通道主流流體溫度得到提升和均勻化。其中貼壁縱

4、向渦可將主流流體直接輸送到壁面附近熱邊界層以內(nèi)，由此對熱邊界層產(chǎn)生的擾動使溫度梯度在靠近壁面處出現(xiàn)躍升，相對于光滑通道最高可提升一個(gè)數(shù)量級。場協(xié)同分析的結(jié)果顯示，截面內(nèi)場協(xié)同角余弦絕對值較大的區(qū)域，受縱向渦流動的影響比較明顯，不僅出現(xiàn)在壁面附近，還出現(xiàn)通道中間區(qū)域，因此螺旋纖肋誘導(dǎo)生成的多縱向渦流動，使整個(gè)通道內(nèi)部的場協(xié)同性能均得到了明顯改善，面內(nèi)平均場協(xié)同角余弦值大幅提高，從而提高了通道內(nèi)對流換熱的整體性能。
　　 搭建了可視

5、化流場測試實(shí)驗(yàn)臺，通過粒子成像測速技術(shù)(PIV)對平板通道內(nèi)置螺旋纖肋時(shí)的三維流動進(jìn)行了測量，并在同一實(shí)驗(yàn)臺上開展了流動顯示實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，螺旋纖肋可以在其下游誘導(dǎo)產(chǎn)生多縱向渦流動，形成了關(guān)于通道橫截面中線近似對稱的縱向渦陣列，在較低的Re數(shù)下誘發(fā)了通道中比較強(qiáng)烈的湍流擴(kuò)散。由于縱向渦沿流動方向發(fā)展，對螺旋纖肋下游流體產(chǎn)生了持續(xù)的擾動，使下游截面上的速度分布得到了明顯改善，實(shí)驗(yàn)涉及的Re數(shù)范圍內(nèi)(Re=225～2022)，壁面附近流速較

6、之光滑通道可提高60％以上，壁面法線方向上的速度分量可達(dá)主流平均速度的16％～22％左右。隨Re數(shù)的增大，縱向渦因強(qiáng)度增加而變得平直，且更貼近壁面，增大了壁面附近的湍流強(qiáng)度。此外，相近參數(shù)下數(shù)值模擬與PIV測量所得流場結(jié)構(gòu)的對比顯示兩者可以取得較好的一致性。
　　 在恒熱流條件下，測試了以空氣為介質(zhì)時(shí)填充螺旋纖肋平板通道中的對流換熱特性。測試結(jié)果表明，平板通道內(nèi)填充螺旋纖肋可以顯著地增強(qiáng)換熱性能，相對于光滑通道可提高1～1.5倍

7、。換熱性能隨螺旋纖肋排列間距的增加逐漸減小，而實(shí)驗(yàn)涉及的結(jié)構(gòu)參數(shù)范圍內(nèi)，纖肋節(jié)距變化對空氣對流換熱性能的影響較小。流動阻力特性測試的結(jié)果表明，阻力系數(shù)隨通道空隙率的增加逐漸減小，在Re數(shù)較高且空隙率比較接近時(shí)，排列間距較大的情況所對應(yīng)的阻力系數(shù)較小。
　　 設(shè)計(jì)制作了螺旋纖肋板式換熱器，并建立了板式換熱器傳熱特性測試實(shí)驗(yàn)臺，分別對螺旋纖肋板式換熱器水-水換熱、水-油換熱情況下的傳熱及流動阻力特性進(jìn)行了測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通道內(nèi)填

8、充螺旋纖肋是一種非常有效的強(qiáng)化傳熱方式，可以在較低的Re數(shù)下實(shí)現(xiàn)通道中比較充分的流體混合，消除了換熱器因流道內(nèi)換熱不均而出現(xiàn)的出口溫度波動現(xiàn)象;以水為工質(zhì)時(shí)，在800＜Re＜13800的范圍內(nèi)，填充螺旋纖肋后通道表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)提高了50～190％，綜合傳熱性能提高了35～130％，且表現(xiàn)出在低Re數(shù)范圍內(nèi)提升幅度較大的特點(diǎn);而以油為工質(zhì)時(shí)，更是在相對較低的50＜Re＜800的范圍內(nèi)，便使表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)提高了40％～160％，綜合傳熱性能提高