閔春華, 孔祥飛, 董江峰, 齊承英

(河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院,天津300401)

縱向渦發(fā)生器是一種有效的被動(dòng)式強(qiáng)化傳熱方式.為進(jìn)一步增強(qiáng)其傳熱特性和優(yōu)化其在換熱器中的應(yīng)用,研究者進(jìn)行了廣泛的研究.Tian等[1]利用場(chǎng)協(xié)同原理分析了在不同布置方式下矩形翼和三角形翼通道內(nèi)的流動(dòng)與傳熱特性.Wu和Tao[2]的研究表明,縱向渦發(fā)生器的沖孔能改善傳熱性能,而厚度對(duì)傳熱性能的影響可以忽略.Didarul等[3]發(fā)現(xiàn)鋸齒狀排列的矩形翼的傳熱效果優(yōu)于按同角度排列的情況.Wang等[4]將縱向渦發(fā)生器用于狹窄通道時(shí),發(fā)現(xiàn)其能明顯增強(qiáng)傳熱.Chompookham等[5]研究了楔形通道內(nèi)布置三角肋和三角形翼縱向渦發(fā)生器時(shí)的流動(dòng)與傳熱特性,發(fā)現(xiàn)兩者組合時(shí)傳熱增強(qiáng),流動(dòng)阻力增加,且均大于單個(gè)作用時(shí)的情況.田麗亭等[6]將三角形縱向渦發(fā)生器用于強(qiáng)化波紋管翅片換熱器的傳熱,發(fā)現(xiàn)傳熱增強(qiáng)的程度大于阻力增加的程度.Law son和Thole[7]研究了沖孔三角形翼的強(qiáng)化傳熱特性.最近,一種稱為斜截橢圓柱的新型縱向渦發(fā)生器被證明具有較好的流動(dòng)與傳熱特性[8].Zhou等[9]對(duì)布置有縱向渦發(fā)生器的通道內(nèi)添加表面活性劑后,進(jìn)行了流動(dòng)減阻特性試驗(yàn)研究.

為進(jìn)一步提高縱向渦發(fā)生器的傳熱特性,在矩形翼的基礎(chǔ)上,提出一種八邊形翼縱向渦發(fā)生器,通過(guò)試驗(yàn)比較了八邊形翼和矩形翼縱向渦發(fā)生器的流動(dòng)與傳熱特性.

1 試驗(yàn)裝置

八邊形翼是在矩形翼的基礎(chǔ)上切掉4個(gè)角后得到的,如圖1所示,其中,l為翼長(zhǎng),w為翼寬,c為八邊形翼的切邊長(zhǎng).本文所研究的矩形翼和八邊形翼的具體尺寸見(jiàn)表1.其中,八邊形翼A的長(zhǎng)和寬分別與矩形翼的長(zhǎng)和寬相等,八邊形翼B和八邊形翼C的面積均與矩形翼的面積相等.

圖1 矩形翼和八邊形翼的示意圖Fig.1 Schematic diagram of the rectangular and octagonal w ing

表1 矩形翼和八邊形翼的尺寸Tab.1 Geometrical sizes of various rectangu lar and octagonal wings mm

縱向渦發(fā)生器的布置方式見(jiàn)圖2.縱向渦發(fā)生器垂直固定在上通道底部,翼片與來(lái)流呈一定的攻角α,試驗(yàn)中α的取值有5種 ：25°,35°,45°,55°和65°.縱向渦發(fā)生器到入口的距離d為40 mm,兩翼之間的最小距離s為10 mm.

圖2 縱向渦發(fā)生器的布置示意圖Fig.2 A rrangement of longitudinal vortex generators

試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖3,主要包括喇叭形入口、進(jìn)口段、測(cè)試段、過(guò)渡段和引風(fēng)機(jī)等.加熱元件采用三明治結(jié)構(gòu),由兩塊鐵板內(nèi)夾電阻絲構(gòu)成,在鐵板表面再黏貼一層聚碳酸脂板.為避免光滑表面的反光作用對(duì)紅外熱像儀對(duì)溫度記錄的影響,對(duì)加熱元件表面進(jìn)行了加黑處理.加熱板固定在通道中間,將通道分為上下相同的兩層,對(duì)上下通道都能均勻加熱.上下通道的進(jìn)出口截面相同,可認(rèn)為上下通道的壓力損失相等.縱向渦發(fā)生器固定在上通道加熱板上.測(cè)試段長(zhǎng) L=600 mm,寬 W=160mm,高 H=40mm.上通道頂壁用聚乙烯膜覆蓋,以保證紅外線能順利透過(guò).空氣溫度利用T型熱電偶測(cè)量,空氣流速利用熱線風(fēng)速儀測(cè)量.在上下通道進(jìn)口各布置1根熱電偶,出口各布置27根熱電偶.標(biāo)定后熱電偶的誤差為0.2 K,流速的誤差為0.01 m/s.

圖3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.3 Schematic diagram of the experim ental system

2 數(shù)據(jù)處理

雷諾數(shù)Re的定義為：

式中：U up為上通道的入口風(fēng)速;D e為通道進(jìn)口截面的當(dāng)量直徑;ν為流體的運(yùn)動(dòng)黏度.

熱流密度為：

式中：T out和T in分別為通道出口和進(jìn)口溫度;下標(biāo)i表示上通道或下通道.

努塞爾數(shù)Nu的定義為：式中：λ為空氣的導(dǎo)熱系數(shù);h為局部對(duì)流傳熱系數(shù);T為加熱面的局部溫度,由紅外熱像儀測(cè)量獲得;T b x為空氣的截面平均溫度.

假設(shè)T b x沿流動(dòng)方向呈線性分布,則：

平均努塞爾數(shù)Nu m為：

摩擦因數(shù) f為：

式中：Δp為壓降;L為通道長(zhǎng)度;ρ為空氣密度.

由于上下通道(即布置有縱向渦發(fā)生器的通道和光通道)的幾何尺寸相同,壓降相等,因而可得到上下通道的阻力系數(shù)之比ζ為：

Re、Nu和ζ的不確定度分別為6.0%、5.3%和6.4%.

3 結(jié)果與分析

3.1 縱向渦發(fā)生器的強(qiáng)化傳熱特性分析

在Re相同的情況下,比較不同縱向渦發(fā)生器的傳熱特性,結(jié)果示于圖4.由圖4可以看出,縱向渦發(fā)生器的存在明顯增強(qiáng)了傳熱.對(duì)于矩形翼,當(dāng)攻角α=55°時(shí),Num/Num0最大,與光通道相比,Num增大了46%～55%.對(duì)于3種八邊形翼,Nu m/Nu m0均隨著攻角的增大而增大.與光通道相比,當(dāng)α=65°時(shí),八邊形翼A、B和C的Num分別增大了42%～59%、45%～94%和47%～69%.由此可見(jiàn),八邊形翼A的傳熱效果與矩形翼相當(dāng),而八邊形翼B和C的傳熱效果明顯優(yōu)于矩形翼.

圖5給出了4種縱向渦發(fā)生器的傳熱量比.由于上下通道的壓力損失相等,故可認(rèn)為是在壓力損失相同的情況下,比較布置縱向渦發(fā)生器的通道和光通道的傳熱特性.由圖5可以看出,在壓力損失相同的情況下,傳熱量增加的程度低于N u m增大的程度.矩形翼的最佳攻角為45°,此時(shí)傳熱量提高了4.5%～9%.八邊形翼A和B的最佳攻角均為55°,八邊形翼C的最佳攻角為65°,3種八邊形翼在最佳攻角時(shí)的傳熱量分別提高了9.5%～14%、4%～17%和11.5%～23%.這表明對(duì)于矩形翼和八邊形翼,在壓力損失相同的條件下得到的傳熱增強(qiáng)率小于在Re相同的條件下得到的傳熱增強(qiáng)率.這是因?yàn)榭v向渦發(fā)生器的存在增大了阻力系數(shù),在流動(dòng)阻力相同的情況下減小了通道流速,因此與Re相同的情況相比傳熱增強(qiáng)率降低.

圖 4 Nu m/N u m0與 Re的關(guān)系Fig.4 Nu m/Nu m0 vs.Re

3.2 縱向渦發(fā)生器的流動(dòng)特性分析

不同縱向渦發(fā)生器的阻力特性示于圖6.由圖6可以看出,縱向渦發(fā)生器的存在使流動(dòng)阻力增加.矩形翼和八邊形翼A在攻角為55°時(shí)阻力系數(shù)比最大,且變化范圍分別為1.82～2.3和1.65～1.89;八邊形翼B和八邊形翼C在攻角為65°時(shí)阻力系數(shù)比最大,且變化范圍分別為2.03～2.74和1.69～1.9.八邊形翼B的阻力系數(shù)稍大于矩形翼,八邊形翼A和C的阻力系數(shù)均小于矩形翼.考慮到八邊形翼A的傳熱性能與矩形翼相當(dāng),而八邊形翼B和C的傳熱效果明顯優(yōu)于矩形翼,因此,本文提出的八邊形翼具有良好的流動(dòng)與傳熱綜合特性.

圖5 四種縱向渦發(fā)生器的傳熱量比Fig.5 Heat transfer rates of fou r different longitudinal vortex generato rs

圖6 阻力系數(shù)比ζ與Re的關(guān)系Fig.6 ζvs.Re

3.3 縱向渦發(fā)生器的強(qiáng)化傳熱機(jī)理

為進(jìn)一步分析矩形翼和八邊形翼的強(qiáng)化傳熱機(jī)理,以矩形翼和八邊形翼A為例分析加熱板的局部Nu分布,結(jié)果示于圖 7.由圖 7可以看出,八邊形翼A的Nu稍大于矩形翼,這正是八邊形翼的傳熱強(qiáng)于矩形翼的主要原因.在不同縱向渦發(fā)生器后,Nu均呈波紋狀分布,八邊形翼A最遠(yuǎn)處波峰到中心線的距離大于矩形翼.在加熱板中心,由于氣流速度增大,傳熱增強(qiáng),故Nu較大;在距離中心z=±40mm附近區(qū)域,由于縱向渦的作用,傳熱增強(qiáng).分析 x=76 mm、x=82 mm和x=97mm處的 Nu分布可知,隨著x的增加,中心線附近的Nu減小,而離中心線不遠(yuǎn)處的Nu增大,即隨著x的增加,Nu增大的范圍變大.造成這種現(xiàn)象的原因是：流體速度從中心線向兩側(cè)逐漸減小,而縱向渦形成后不斷發(fā)展,影響范圍逐漸加大.在x=106mm處,Nu最大,表明縱向渦在x=106mm處達(dá)到最強(qiáng).

圖 7 當(dāng) Re=12 500、α=45°時(shí),局部 Nu的分布Fig.7 Distribution of local Nu at Re=12 500 and α=45°

在加熱板表面布置縱向渦發(fā)生器后,流動(dòng)產(chǎn)生旋渦,破壞了邊界層的發(fā)展,使加熱板中間溫度局部降低,這正是傳熱強(qiáng)化的原因.八邊形翼的局部Nu大于矩形翼,這是因?yàn)榘诉呅我淼那薪窃诒诿娓浇鹆藦?qiáng)烈的旋渦.另外,矩形翼切除4個(gè)角后,對(duì)主流區(qū)域流體擾動(dòng)的因素減少,使流動(dòng)阻力減小.

4 結(jié) 論

(1)在Re相同時(shí),縱向渦發(fā)生器能明顯增強(qiáng)傳熱.在最佳攻角下,矩形翼、八邊形翼A、八邊形翼 B和八邊形翼C的 Nu m分別增大46%～55%、42%～59%、45%～94%和47%～69%.

(2)矩形翼、八邊形翼A、八邊形翼B和八邊形翼C在各自攻角下對(duì)應(yīng)的最大阻力系數(shù)比分別為1.82～2.3、1.65～1.89、2.03～2.74和1.69～1.9.

(3)在阻力損失相同的條件下,各縱向渦發(fā)生器均能提高傳熱量,但傳熱增強(qiáng)率小于在Re相同時(shí)的傳熱增強(qiáng)率.

(4)與矩形翼相比,八邊形翼因切除了4個(gè)角,對(duì)主流區(qū)域流體的擾動(dòng)因素減少,而對(duì)壁面附近流體的擾動(dòng)增強(qiáng),因此使對(duì)流傳熱增強(qiáng)而阻力并未增加.

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