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纵/横向组合涡强度描述与其强化传热对应关系研究

时间:2016/6/5 21:46:56

/横向组合涡强度描述与其强化传热对应关系研究

(国家自然科学基金地区基金51566007

研究背景

提高能源转换及利用率,减少排放是改善我国生态的重要措施。能源转换和利用过程中涉及诸多的传热过程。为了减少传热过程中高品位能量的消耗,强化对流传热成为研究热点。强化对流传热的措施很多,用流体中的涡来强化对传热应用非常广泛。根据涡的轴线方向和主流方向的关系,涡可分为横向涡及纵向涡,如图1所示。横向涡主要由横向波纹传热扩展表面及其它通道内部表面添加的横向粗糙元所产生。纵向涡主要可由传热扩展表面及其它通道内部壁面上设置纵向涡产生器所产生。

 纵/横向组合涡强度描述与其强化传热对应关系研究

图 1 强化对流传热常用的涡((a) 纵向涡、(b) 横向涡、(c)纵向涡与横向涡的叠加)

现有的研究表明,不论是横向涡还是纵向涡均有非常优异的强化传热功能,同时横向涡和纵向涡的合理组合还可进一步强化传热。描述横向涡强度、确定横向强度与传热强化的关系、 纵向涡和横向涡混合存在时其涡强度的描述、混合强度和传热强化的关系、纵向涡和横向涡强化传热的机理的异同等成为亟待研究的问题。

研究内容

 本项目以图2所示的横向波纹翅片通道及3所示的带粗糙肋的矩形截面通道为研究对象,探讨纵/横向组合涡强度及其与强化传热的对应关系,进而揭示涡强化传热机理。主要研究内容包括:

纵/横向组合涡强度描述与其强化传热对应关系研究

                                   图2 横向波纹通道

纵/横向组合涡强度描述与其强化传热对应关系研究

图3矩形粗糙元通道 

1)横向波纹通道及矩形粗糙元通道内的纵/横向组合涡特性;

2)横向波纹通道及矩形粗糙元通道表面传热特性;

3)横向涡及纵/横向混合涡强度的描述方法;

4)横向涡及纵/横向混合涡强度与强化换热之间的关系。

对所采用的横向波纹通道来说,几何参数包括通道上下表面距离、波纹间距、波纹高度;对矩形截面粗糙元通道来说,几何参数包括粗糙元的高、宽、倾角、间距等。通过建立涡量与通道几何参数、流动条件、流体物性的关系,获得/横向组合涡强度与强化传热对应关系;归纳出指导涡强化传热的策略; 揭示纵/横向组合涡强化传热机理。通过本项目的研究深刻分析涡强化传热机理,寻求更好指导涡强化传热的策略。

主要研究进展

本项目对图4所示的蛇形波纹翅片通道及图5所示小尺度三角形波纹槽道的流动与传热进行了初步研究。

纵/横向组合涡强度描述与其强化传热对应关系研究纵/横向组合涡强度描述与其强化传热对应关系研究

       图4 蛇形波纹翅片扁管示意图                              图5三角形波纹通道示意图

对图4所示蛇形波纹翅片通道的研究表明,纵向涡强度与努塞尔数有很好的线性关系,说明纵向涡强度可作为描述传热能力的特征参数。在考虑横向涡强度对传热的影响时,不论是单独考虑横向涡的影响,还是同时考虑横向涡与纵向涡叠加对传热的影响,虽然对给定的波纹高度,努塞尔数与涡强度呈线性关系,但对不同的波纹高度来说,线性关系并不唯一,说明横向涡对传热的影响较为复杂,寻求横向涡强度对传热影响的定量描述需进一步研究。

针对大功率变流器IGBT的冷却问题,对图5所示的水冷散热器进行了实验和数值研究。研究表明即使齿高较小时,三角形波纹通道也有很好的强化传热效果。说明随主流滚动的横向涡旋有利于主流区流体与近壁区流体的掺混,从而达到动量和热量的传输,提高了传热能力。以矩形截面平直通道为参考,在相同质量流量、相同压降、相同泵功率比较准则下,小尺度三角形波纹通道均有较好的强化传热效果。

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