縱向渦發(fā)生器強化換熱機理的研究

縱向渦發(fā)生器強化換熱機理的研究

1管外空氣強化換能緊湊的換熱器在許多領域都起著重要的作用。例如，在汽車工業(yè)、空氣調(diào)節(jié)、動態(tài)、化工、電子冷卻、航空、航空航天等研究領域，我們希望使用更有效、更經(jīng)濟的緊湊換熱器，提高設備的整體性能。由于管外空氣熱物性的限制,換熱器的熱阻主要集中于管外,管外熱阻占總熱阻的80%～90%,為了強化管外空氣的換熱,人們在管外加裝各種翅片,從最初的平翅片,一直發(fā)展到后來的波紋翅片、開縫翅片及百葉窗翅片。這些翅片大大增加了空氣換熱面積,同時改變了主流方向,增強了流體擾動,減薄或者破壞了熱邊界層的連續(xù)發(fā)展,使換熱加強。這種強化換熱方式是主流強化換熱(mainflowenhancement),在增強換熱的同時也帶來了很大的阻力損失。而另一種強化換熱的方式為二次流強化換熱(secondaryflowenhancement),它通過改變二次流的分布來強化換熱,能夠以較小的阻力代價獲取較大的強化換熱效果?？v向渦的產(chǎn)生屬于二次流強化換熱方式,目前縱向渦發(fā)生器(LongitudinalVortexGenerators,LVGs)作為一種無源強化換熱技術已成為強化換熱方面研究的熱點之一。幾種比較常見的縱向渦發(fā)生器見圖1。2縱向潮發(fā)生器的研究最早將縱向渦用于邊界層控制的報道是由Schubauer和Spangenberg發(fā)表于1960年。早期對縱向渦的研究著眼于用它來推遲機翼表面的邊界層的分離,滯后失速,以減少飛行阻力。而將縱向渦和換熱聯(lián)系在一起的報道則是在1969年,Eibeck等將一個三角形小翼型的縱向渦發(fā)生器安置在圓柱的某一切向位置,流體橫掠過圓柱表面,經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)該部分局部Nu數(shù)增加了200%。1982年,Russell等首次報道了將縱向渦用于強化翅片管換熱器的實驗研究結(jié)果。作者采用瞬時熔線法研究了矩形小翼和三角小翼型的LVG在平翅片上按不同方式排列時的強化換熱的效果,最后認為兩排交錯排列的矩形小翼型的縱向渦發(fā)生器最好,并把這種結(jié)構(gòu)移植到了一個實際尺寸的平翅片管換熱器上,實驗結(jié)果證明了縱向渦的強化換熱效果。迄今為止,研究最多的、被認為適宜作縱向渦發(fā)生器的型式大概有四種,見圖2。Fiebig等于1986年在一個層流矩形通道內(nèi)放置了一個三角形翼或一對三角形小翼,并進行了實驗研究,Re=1360～2270,用瞬間液晶熱像法(unsteadyliquidcrystalthermography)測得局部換熱強化可達200%,三角形翼的局部換熱強化效果更好,在Re=1360時,總的j因子可增加20～60%。1991年,Fiebig等又在前面工作的基礎上,對矩形通道內(nèi)傳熱的發(fā)展段,設置如圖3所示的四種不同的縱向渦發(fā)生器進行了實驗研究,雷諾數(shù)范圍在1000～2000之間,發(fā)現(xiàn)縱向渦的穩(wěn)定性不僅與雷諾數(shù)有關,而且還與沖角β有關。為了對縱向渦強化換熱的歷程和現(xiàn)狀進展有進一步直觀的了解,現(xiàn)特在表1中匯總了自20世紀90年代以來國內(nèi)外的學者關于縱向渦發(fā)生器用于強化換熱的主要數(shù)值研究工作。3縱向潮壓力原理過增元院士于1998年針對對流換熱的物理機制提出了場協(xié)同理論,認為對流換熱可以等效于有內(nèi)熱源的導熱問題。熱源項的大小決定了對流換熱的強度,對流換熱的性能不僅取決于流體的速度和物性以及流體與固壁的溫差,而且還取決于流體速度場與流體熱流場間協(xié)同的程度。在相同的速度和溫度邊界條件下,它們的協(xié)同程度愈好,換熱強度愈高。按照場協(xié)同原理,縱向渦傳熱強化機理可以進一步解釋為:在沒有加縱向渦發(fā)生器時,豎直放置的發(fā)熱平板附近液體的強制對流速度方向為垂直方向,而溫度梯度接近垂直于平板方向即水平方向,速度與溫度梯度的夾角接近90°,換熱效果較差;加了縱向渦發(fā)生器以后,縱向渦使流體有了垂直于平板的速度分量,從而改變了速度的方向,使得速度矢量與熱流矢量的夾角變小,從而增大了對流換熱系數(shù),使換熱增強。根據(jù)粗糙元幾何形狀及安裝角度的不同,流體流過它產(chǎn)生的旋渦可能是橫向也可能是縱向的。橫向渦主軸方向與流向垂直,其流動主要是二維的;而縱向渦繞著與流向平行的軸進行盤旋,其流動總是三維的,這樣縱向渦不僅能夠使局部換熱增強,同時也能夠全面提高Nu數(shù),而橫向渦對整個區(qū)域換熱的增強作用卻很小。圖4為某運用場協(xié)同理論對實例下的三角形小翼和矩形小翼縱向渦發(fā)生器的強化換熱性能分析比較,由圖可以看出不同Re條件下,三角形小翼可以使通道內(nèi)速度場和溫度場的協(xié)同性得到更多的改善,因此它比相同面積的矩形小翼對強化換熱更有利。4進一步的研究(1)縱向渦發(fā)生器強化換熱的本質(zhì)可以歸結(jié)為縱向渦的存在改善了通道中速度場和溫度場的協(xié)同性。(2)在通道內(nèi)布置LVG是強化緊湊式換熱器氣側(cè)換熱性能的有效形式,該方面的研究已經(jīng)取得了許多成果。但是,關于LVG對液體介質(zhì)強化傳熱的機理研究還不很充分,該領域還存在許多急待解決的問題,有待進一步的研究。(3)數(shù)值模擬方法因其便利性和廉價性而在流動換熱研究領域被廣泛使用,所以在縱向渦強化換熱的研究論文中,有關數(shù)值計算的也不少,但是不管對沒有傳熱管的通道(包括LVG),還是對翅片管換熱器的翅片通道(包括傳熱管和縱向渦發(fā)生器)的計算,現(xiàn)有文獻的計算方法有著諸多不同,尤其是進口邊界條件和出口條件,在考慮縱向渦發(fā)生器下方的小孔方面也有不同,并且大都都忽略了縱向渦發(fā)生器的厚度。(4)盡管縱向渦能夠強化換熱,但其強化換熱的程度以及帶來壓力