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纵向涡产生器几何形貌与纵向涡特性及对流换热关系研究

时间:2016/6/6 16:38:14

纵向涡产生器几何形貌与纵向涡特性及对流换热关系研究

   (国家自然科学基金青年基金51406073

背景意义:强化传热技术产生于上世纪六七十年代,是指能显著改善传热性能的节能新技术,其主要内容是改进换热表面结构,提高传热效率,从而使换热设备投入和运行费用降低,提高能源利用率即减少能源消耗。强化传热技术自产生以来,一直受到业界的广泛关注,在近几十年来更是得到了高度的重视和蓬勃的发展。在换热表面设置涡产生器是一种有效的强化传热措施。涡产生器所产生的纵向涡作为一种非常有效的无源强化传热技术,最早被应用于强化传热领域是在20世纪70年代左右。Bergles将纵向涡强化传热认定为第三代强化传热技术。

涡产生器的形状可以是多种多样的。例如,由于圆管换热器流通截面面积不如椭圆管、扁管的变化平缓,圆管障碍物能诱导出较强的马蹄形涡,马蹄形涡的强化传热效果在圆管通道中非常明显,但是圆管尾部脱体现象比椭圆管及扁管要严重的多。要抑制脱体现象,平面涡产生器的形状并不十分理想,为达到进一步提高圆管管翅式换热器的传热性能,同时减小流动阻力损失的目的,可以采用如图1所示的曲面涡产生器,并且能够得到强化传热特性较好的翅片表面局部努赛尔数分布(图2所示)。

纵向涡产生器几何形貌与纵向涡特性及对流换热关系研究

图1曲面涡产生器结构示意图

纵向涡产生器几何形貌与纵向涡特性及对流换热关系研究

图2 曲面涡产生器对翅片表面局部努赛尔数的影响:未加涡产生器,(b) 加涡产生器

研究内容:如图3所示,涡产生器的形状种类繁多,改变任意一个尺寸都会对传热及流动性能产生影响,因此将涡产生器的几何形状和攻击角耦合成涡产生器形貌参数,归纳总结涡产生器形貌参数与涡强度、涡衰减、传热特性及阻力特性的关系,旨在深刻揭示纵向涡强化传热的机理及纵向涡特征,为更好应用纵向涡于强化传热技术提供理论依据和基础数据。在介绍研究内容之前,首先对涡特征予以说明。纵向涡特征是指纵向涡的强度、衰减长度及阻力损失等,纵向涡的强度用二次流无量纲参数Se来描述;纵向涡衰减长度L可以定义为当二次流无量纲参数Se的值下降至一定值时,涡产生器后纵向涡的延伸长度;纵向涡引起的阻力损失Δp 定义为涡产生器及所产生涡所引起的流动阻力。

根据项目思路,拟开展以下内容的研究工作。

1)建立决定纵向涡特征、传热性能及压力损失性能的涡产生器形貌描述方法

考虑到绕物体流动的阻力分为摩擦阻力和形状阻力两部分,摩擦阻力是物体表面剪切力产生的流动阻力,形状阻力是垂直于物体表面的压力产生的对流体流动的阻力,项目拟选用三个参数作为涡产生器的几何形貌参数:纵向投影几何的表征参数η1、横向投影几何的表征参数η2、体积与流体湿润面积关系参数η3

2)寻求涡产生器形貌参数对涡特征、传热性能及压力损失性能的影响规律

要找到涡产生器形貌参数η1η2η3对涡特征、传热性能及压力损失性能的影响规律,就要先建立这三个形貌参数与二次流无量纲参数Se、涡衰减长度L、涡产生器及涡流动的阻力ΔpNu及阻力因子f的关联式。然后,分别研究纵向投影几何的表征参数η1SeLΔpNuf的影响,横向投影几何的表征参数η2SeLΔpNuf的影响,体积与流体湿润面积关系参数η3SeLΔpNuf的影响。

纵向涡产生器几何形貌与纵向涡特性及对流换热关系研究

图3 不同形状的涡产生器及产生的纵向涡系示意图

方法路线:

技术路线如图4所示

纵向涡产生器几何形貌与纵向涡特性及对流换热关系研究

图4 研究方案框架图

主要成果:在国家自然科学基金的资助下,共发表论文2篇,其中SCI国际期刊1篇,国际会议论文1篇。已授予发明专利1项。

[1] Mei Su, Liangbi Wang, T The Criteria of Convergence in Conjugated Simulation of Fluid Flow and Heat Transfer in the Channel Formed by Tube Bank Fins, Computational Thermal Sciences, 已收录(2016)

[2] 苏梅,王良璧等,圆管管翅式换热器流线型变波幅圆弧形波纹翅片,发

明专利,专利号:ZL2014103738351。

[3] Mei Su, Liangbi Wang, Numerical Study of Heat Transfer and Fluid Flow chAracteristics of Tube Bank Fin Heat Exchanger with Louvered Fins2015 Asian Symposium on Computational Heat Transfer and Fluid Flow, Busan, Korea

 

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