帶有縱向渦發(fā)生器的翅片管的流動與傳熱數(shù)值研究

1、低溫與超導第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與傳熱數(shù)值研究鹿世化,李奇賀(南京師范大學動力工程學院,南京210042)摘要:用三維數(shù)值的研究方法對帶有縱向渦發(fā)生器的翅片管流動和傳熱進行了數(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)對于管翅間換熱和流動的影響,結(jié)果顯示沖角為30°時效果最好。關(guān)鍵詞:縱向渦;強化傳熱;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。發(fā)展邊界層、形成渦流、增加擾動是常用的增強換熱手段,縱向渦發(fā)生器(以下簡稱LVGs)同時滿足以上三種強化傳熱的機理。另一方面,LVGs便于加工的特點使得其在近十年來得到的研究和應(yīng)用越來越多。對縱向渦的研究包括數(shù)值模擬和實驗研究1-6角,不同的放置方式,不同的的管排數(shù)等。文章認為當小翼處于管下游,侵入角為30°,而且管排數(shù)最小的時候可以獲得最大的換熱增加。Sommers和Jacobi通過實驗完成了一個提高帶有渦發(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等人通過實驗對一個帶有三角形小翼的LVGs的翅片管換熱器進行了研究。文章分別針4。Jacobi和Shah對縱向渦在翅片管換熱21器的應(yīng)用給予了充分的文獻分析。Leu等人用數(shù)值和實驗的方法對一個放置于管后的LVGs進行了研究,他們認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)值模擬的方法對一個帶有三角形小翼的LVGs的翅片管進行了研究。文章研究了多種參數(shù),比如不同的侵入收稿日期:2010-01-223對順排和叉排的管路排列進行了測試,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銓對一個帶有LVGs的三排管的翅片管換熱器進行了數(shù)值研究并用場協(xié)同理論進行了分析。文章認為,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化效果好于叉作者簡介:鹿世化(1977-),男,講師,在讀博士,研究方向為制冷空調(diào)、空氣品質(zhì)、建筑節(jié)能。第4期制冷技術(shù)Refrigeration67排。Jang和Wu對一個四排管的平直翅片管換熱器進行了數(shù)值和實驗研究。本文的研究將與其模擬結(jié)果進行對比分析。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。從已有的文獻分析可以看出,大多數(shù)的文獻僅針對

7、一排管進行。這對于揭示多排管的換熱是不夠的。文獻中多數(shù)僅針對單一參數(shù)進行,而現(xiàn)有文獻中沒有見到對于矩形小翼用作LVGs的研究。7(a)-計算區(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)的流動和換熱數(shù)據(jù),。(c)-沖角示意圖圖2計算區(qū)域示意圖2計算方法本文所計算的Re數(shù)(基于迎面風速和翅片間距的兩倍)在2000以下,流動處于層流狀態(tài),同時假設(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計算。2.1計算區(qū)域和邊界條件所計算的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圓管的側(cè)后方。由于對稱性,選擇如圖剖面線部分作為計算區(qū)域。進口為速度進口,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),實際計算中出口區(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、下面為對稱邊界條件。Fig.2Schematicdiagramofcomputationaldomain為了便于對比,計算數(shù)據(jù)與文獻7中工況之一相對應(yīng),具體數(shù)據(jù)見表1。表1幾何尺寸和計算條件Tab.1

9、Geometricalparametersofthetestsections計算參數(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)進口空氣溫度(T)迎面風速(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驗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,對于不同的進風風速,增加值在10.424.6%之間,并且隨著進口風速的增大,換熱系數(shù)增加的幅度更大。與此同時,如圖5所示,壓力下降的增加也很明顯,不同的進口風速帶來的壓降增加在30.557.2%范圍內(nèi)。對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),本部分將對三種不同沖角)放置在圓管下緣的計算結(jié)(30°、45°、60°果進行討論。如圖6所示,對于三種不同的沖角,Nu數(shù)隨著Re的增加都呈上升趨勢。對于不同的Re而言,在沖角為30°時Nu值

11、最大,45°時有所下降,60°時則最小。一般來說,縱向渦產(chǎn)生的同時還伴網(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)獨立化檢驗后計算網(wǎng)格數(shù)為48037(a=45)。圖3網(wǎng)格劃分Fig.3Computationgridsystem3計算結(jié)果與分析3.1縱向渦對于換熱和壓降的影響圖4不同迎面風速下帶有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,對于

12、30°沖角而言,LVGs后的橫向渦不太明顯,而60°時可以清晰看出LVGs后有明顯的橫向渦。橫向渦不會向縱向渦那樣帶來三維的旋流從而導致?lián)Q熱8大幅增加。圖5不同迎面風速下帶有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)果的對比。文獻7對平直翅片管的傳熱和7圖6不同沖角對Nu數(shù)的影響Fig.6InfluenceofattackangleonNu第4期制冷技術(shù)Refrigeration69(a)(b)(c)圖7Re=2000時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)生縱向渦的同時對空氣來流有一定的阻擋和引導作用。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6,對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。對三種不同的沖角(見圖8)的比較來看,溫度分布的整體趨勢基本一致。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,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°時對于換熱的改善最好。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,可以提高換熱系數(shù)達到10.

15、424.6%。(2)對于不同沖角的矩形小翼來說,使得傳熱系數(shù)增大的同時,同時帶來壓降的增加。(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。有上升的空間。(3)“低溫技術(shù)”和“超導技術(shù)”欄目的發(fā)稿數(shù)量所占比例還要提高。(4)青年學生的論文質(zhì)量上還有待于提高。(5)論文作者的地域分布還不均衡。(6)個別作者的保密觀念還不強。因此,我們建議要從以上六個方面入手,加以改進,以提高辦刊質(zhì)量。光陰似箭,時不我待;科技發(fā)展,日新月異。如何見證“低溫技

16、術(shù)”、“超導技術(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創(chuàng)新!這方面,離不開作者特別是青年人的大力支持。總之,以雜志做為平臺,1趙琪,張以民,周愛蓮,等.中國農(nóng)業(yè)科學(中文版)作7討論通過對以上6幅表格的分析,我們認為:兩年所發(fā)的論文整體上說,質(zhì)量較高,作者具有較高的學術(shù)水平。雜志也取得了優(yōu)良的社會效益。這對于一家基層研究所來說,實屬不易!特別是全國知名的大學/學院、研究所對一家基層研究所所主編的期刊情有獨鐘,踴躍投稿。這對提高低溫與超導的知名度和期刊質(zhì)量起到了決定性的作用。一些大學和研究所對低溫與超導給予了肯定和較高的評價。但與此同時,我們也清醒地認識到,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)在以下幾個方面:(1)(2),(上接69頁)(3)對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.縱向渦強化傳熱的數(shù)值研究及場協(xié)為30°時取得的強化換熱效果最佳。(4)因為矩形小翼的特殊性,在對該結(jié)構(gòu)的LVGS的換熱和流動研究時應(yīng)考慮到小翼的導流作用。參考文獻1JacobiAM,ShahRK.Heattransfersurfaceenhance2mentthroughtheuseoflongitudinalvortices:AreviewofrecentprogressJ.Exp.Therm.FluidSci.,1995,11:295-