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加涡产生器的管片式换热器换热与阻力特性的数值研究点击：1940 日期：[ 2014-04-26 22:13:58 ] |
| 加涡产生器的管片式换热器换热与阻力特性的数值研究 管勇 胡万玲 (兰州交通大学环境与市政工程学院，甘肃兰州730070) 摘要：通过数值模拟的方法，研究了小翼式涡产生器对错排圆管管片式换热芯子换热与阻力特性的影响，比较了光板与加涡产生器强化板芯的速度场、横向平均Nu数以及平均对流换热系数、阻力系数的变化规律，为进一步提高其换热性能、改进翅片结构、设计新型换热器提供了理论依据。 关键词：换热器；强化换热；涡产生器；数值模拟 中图分类号：TF066．2 1；TB115 文献标识码：A 文章编号：1004—7948(2006)07—0023—03 1.引言 管片式换热器被广泛应用于化工、空调、制冷等领域，其传热与阻力特性的研究是传热学工业应用研究的具体课题之一。本文的直接应用背景是内燃机车用散热器。机车中冷却水从柴油机、中冷器及各类油水热交换器中带走的热量全部要经过散热器散发到大气中去。从实验测得，当机车用散热器在额定工况下时，空气侧放热热阻占总热阻的80％以上，而冷却管壁热阻与水侧放热热阻之和仅占总热阻的20％以下。因此，提高内燃机车用散热器传热系数K值的有效途径是寻求降低空气侧热阻的改进方案，采取措施增加空气侧对流换热系数。涡产生器强化换热是20世纪80年代中后期出现的一种新型强化换热机理，它作为一种被加工过的特殊发展表面能有效地改善对流换热状况，近几年来愈来愈受到重视。Saboya和Sparrow利用萘升华传质实验，获得单排管、两排管、三排管管片式换热器的局部换热特性曲线。Rich用实验方法研究了翅片间距、管排数对错排管束的影响。 早期的工作受研究手段的限制，主要是利用分析研究和实验测试的方法。近年来，随着计算技术的不断发展，数值传热学也得到飞速发展。用数值模拟的方法研究换热器内流动和换热问题已成为解决各种工程问题的重要手段与有效途径。本文就是对加小翼式涡产生器(以下简称wVG)的管片式换热器进行数值模拟计算，对其换热及阻力特性进行研究，为进一步提高其换热性能、设计新型换热器打下基础。 2.换热器内部流动及换热的数学物理模型 2．1物理模型及控制方程 根据错排圆管管片式换热器的结构特点，其流动与换热视为三维流动，物理模型如图1所示。 质量守恒和动量守恒是描述具有复杂边界工程问题流体流动的基本规律。为便于分析，本文作以下简化假设：(1)换热器中流动是稳态的；(2)流体是粘性不可压缩的。 在直角坐标系下表述不可压缩流体对流换热时，控制方程的数学表达式为： 对流动与传热问题进行数值计算的第一步是生成网格，本文对图l所示的计算区域生成的网格如图2所示。 2．2边界条件 (1)入口条件：进口的速度Uinlet垂直于入口切面进入，由所给的Re数与入口的当量直径换算而得，取均匀进口分布，U=Uin， v=0， W=0，t=ti 。 进口紊流动能kinlet 一般对充分发展的出流，并且断面面积不再变化，出口界面处无回流的情况下，这种设置总是可以接受的。 (3)固壁条件：固体壁面采用无滑移、非渗透的边界条件，即U=V=W=0，温度t=tw。在紊流k一￡模型中，在近壁区域采用壁面函数法。壁面函数法的基本思想见文献。 (4)Xq称边界条件：对于管片式换热器来说，沿图1中A—B、C—D的纵剖面可看作为对称面。对称面上的边界具有以下特点： ①对称平面内法向速度为零； ②对称平面内所有变量的法向梯度为零。 3 离散方法及数值方法 用控制容积法对计算区域进行离散，对所选取的计算区域的主体部分用结构网格划分，而在WVG处由于结构比较复杂，用非结构网格进行划分。对于进口、壁面及WVG附近等处流体流动变化剧烈的地方网格划分比较密，而对于流体流动变化相对平缓的地方，网格划分则疏一些。速度与压力耦合采用同位网格上的SIMPLEC算法，对流项差分格式采用二阶迎风格式。紊流模型采用标准k一￡模型加壁面函数法进行计算研究。 4.计算结果及分析 由图3可以看出在错排光板管束中，每一个圆管的尾部都存在一个回流区，该区是由涡旋对构成的，流体在回流区的流动具有滞留的特性，其内部的流速低于主流的流速。在圆管的前端(即迎流面)，由于端壁效应会产生一个角涡旋，此角涡旋在主流的作用下沿圆管侧面向下游发展，表现为位于圆管两侧的纵向涡旋。在光板板芯上，圆管绕流的脱体点与圆管表面的滞止点成95。左右，而在WVG式强化板芯上，脱体点由于WVG的作用而向后推移，圆管后的气流回流区覆盖面积被压缩。此外，WVG产生的角涡旋、主涡旋强烈地增加了气流的紊乱程度。 图4为不同Re．数下WVG式强化板芯横向平均的Nu数的分布图。图中在圆管的前端和涡产生器处Nu数较高，而在圆管尾部Nu数较低，而且随着R 数的提高横向平均的Nu数是增加的。这是因为，流体流动时管子最前端形成驻点，该位置上边界层刚开始形成，流体的温度梯度很大，所以Nu数高。随着边界层的不断增厚，Nu数开始下降。又由于涡产生器的存在，可以产生与主流方向垂直的二次流动，使流体产生强烈的径向运动以加强流体整体的混合，加强了传热传质过程，大大降低了主流的速度梯度和温度梯度，即这种二次流有效地破坏了流动和热边界层，加强了边界层内的扰动并减薄了边界层的厚度。由图5可以看出在相同R 数 下，WVG式强化板芯的横向平均Nu数均高于光板板芯，在wVG处横向平均Nu数比光板板芯对应值提高了近100％。 图6为光板与WVG式强化板芯的换热与阻力特性曲线。涡产生器强化板芯的平均换热Nu数高于光板板芯。阻力系数厂也比光板板芯的要大一些，但其增幅不是很大。 5.结论 (1)对给定的Re数，在圆管的前端横向平均的Nu数很高，在尾部Nu数很低。由于R 数的增加使得气流速度加快，所以随着R 数的增加，横向平均的Nu数是增加的。在WVG处其横向平均的Nu数比光板板芯对应值提高了近100％。 (2)WVG强化换热的机理主要在于：热边界层的分离、旋转和涡以及流场的不稳定或者湍流度的加强。 (3)在其他参数相同的情况下，光板板芯与WVG式强化板芯，随着Re数的增大，Nu数均增大，阻力系数厂均减小。 (4)翼形涡产生器在提高管片式换热器换热性能方面具有很大的潜力，本文为进一步设计换热器的结构和优化其性能提供了理论依据。 |
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