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换热通道内纵向涡干涉机理研究

时间:2016/6/6 16:56:04

换热通道内纵向涡干涉机理研究

国家自然科学基金地区基金No.51366008

项目负责人:刘松

所在单位:兰州交通大学

起至年限:2014.01-2017.12

项目简介:纵向涡因能以较小的压力损失获得较大程度的传热强化而得到了广泛研究和应用。管翅式换热器沿主流方向有较多的管排,可以在肋片上布置多排涡产生器,这样就会出现上游产生的纵向涡与下游纵向涡之间的干涉现象。该现象非常复杂,决定着纵向涡的传热强化效果。在对上述涡干涉现象揭示不足的研究现状下,项目开展三方面研究:(1)纵向涡与马蹄形涡,纵向涡与边界层、纵向涡对之间干涉以及纵向涡与来流中纵向涡之间的干涉特性;(2)纵向涡干涉对强化换热性能和流动阻力的影响;(3)对纵向涡及其干涉有效控制的方法。目标是:揭示涡干涉本质及其对传热和阻力的影响机制;获得利于强化传热的涡产生器布置原则。项目结果可增进对纵向涡干涉现象的认识,还可对纵向涡在强化传热中的应用提供指导,具有较大的学术意义和较高的工程应用价值。

主要进展:项目通过纵向涡强度定量描述参数对纵向涡干涉对纵向涡强度的影响进行了定量研究,对纵向涡干涉对流场、纵向涡强度、换热强度及流动阻力的影响进行定量分析。给出了纵向涡干涉后的最佳换热性能所对应的涡产生器布置结构。已完成主要研究工作:(1) 建立了相/反旋转方向纵向涡之间的干涉模型,对纵向涡干涉有了新的认识。纵向涡干涉并非全部不利于换热:两个旋转方向相反的纵向涡在完全干涉时,纵向涡强化传热性能最差,纵向涡强度(Se)衰减达40%;纵向涡间存在一个最佳间距使得纵向涡干涉后的传热性能最大,部分结果如图1 (2) 分析了换热器通道内纵向涡干涉现象,定量研究了纵向涡间干涉对流场结构、纵向涡强度、流动阻力及换热的影响。研究结果表明:纵向涡干涉影响纵向涡及换热强度,同一扁管侧涡产生器产生的相同旋转方向的纵向涡完全干涉后融合为一个纵向涡,融合后的纵向涡强度增强;不同扁管侧涡产生器产生的相反旋转方向的纵向涡之间的干涉使得纵向涡的强度减弱;在相反旋转方向纵向涡间完全干涉时,纵向涡和换热强度最小;扁管换热器通道内存在最佳涡产生器布置以获得最佳传热性能,Re=1600时纵向涡干涉使得Se最大衰减13%, Nu减小10%, JF减小7.8%。部分结果如图2~4

换热通道内纵向涡干涉机理研究

1. 相反旋转方向纵向涡干涉对Se, Nu的影响

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图2. 相反旋转方向纵向涡干涉对横截面上速度场及纵向涡强度Se的影响

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3.纵向涡干涉对扁管换热器通道内纵向涡、纵向涡强度Se的影响

研究成果: 

在本项目的支持下,2014-2016在国内外学术期刊发表相关研究论文9篇,SCI/EI检索5篇,授权发明专利2项。部分成果如下:

1. KeWei Song, LiangBi Wang, Effects of the interaction of longitudinal vortices on the flow field and heat transfer over a flat-tube-and-fin heat exchanger, J. Enhanced Heat Transfer 21(6) (2014) 439-462.

2. KeWei Song, Song Liu, LiangBi Wang, Interaction of counter rotating longitudinal vortices and the effect on fluid flow and heat transfer, Int. J. Heat Mass Transfer 93 (2016) 349-360.

3. KeWei Song, WanLing Hu, Song Liu, LiangBi Wang: Quantitative relationship between secondary flow intensity and heat transfer intensity in flat-tube-and-fin air heat exchanger with vortex generators. Applied Thermal Engineering 06/2016, 103: 1064-1070.

4. KeWei Song, Song Liu, LiangBi Wang: Interaction characteristics between longitudinal vortices with counter-rotating directions in heat exchanger channel. CIESC Journal 2016; 67: 1233-1243.

5. KeWei Song, Song Liu, LiangBi Wang: Relationship between longitudinal vortex intensity and heat transfer intensity of flat tube heat exchanger. CIESC Journal 2016; 67: 1858-1867.  

6. KeWei Song, WanLing Hu, Song Liu, LiangBi Wang, Quantitative relationship between secondary flow intensity and heat transfer intensity in the fin-side channel of flat tube bank fin heat exchanger, The 5th Asian Symposium on Computational Heat Transfer and Fluid Flow, Busan Korea, 2015.

7. 宋克伟,王良璧,苏梅等,圆管管翅式换热器流线型等波幅正/余弦形波纹翅片,发明专利,2014103740027,中国

8. 宋克伟,王良璧,胡万玲等,椭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,2014103772070,中国

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