攻击角对涡产生器式管片换热器换热影响的数值分析

点击：1758 日期：[ 2014-04-26 22:21:40 ]

攻击角对涡产生器式管片换热器换热影响的数值分析胡万玲张永恒颜林 (1．兰州交通大学环境与市政工程学院，甘肃兰州730070 2．兰州交通大学机电工程学院，甘肃兰州730070 3．昆明理工大学设计研究院，云南昆明650051) 摘要：通过数值模拟的方法，研究了涡产生器攻击角在15。～45。之间变化时对错排圆管管片式换热板芯换熟与阻力特性的影响．分析了不同攻击角的涡产生器强化板芯的局部对流换熟系数、横向平均N 以及平均对流换热系数、阻力系数的变化规律，为进一步提高换热器换熟性能提供了理论依据．关键词：换热器}涡产生器}攻击角，数值模拟lK一￡素流模型中圈分类号：TK402 文献标识码：A 管片式换热器广泛应用于化工、空调、制冷等领域．近年来，由于工业的发展和科学技术的进步，要求进一步强化换热器换热过程，增强其换热能力．其中改进翅片结构是强化管片式换热器换热性能的有效措施之一，常见的有波纹式、开缝式、间断环面式翅片[ ]等．涡产生器翅片强化换热是2O世纪8O年代中后期出现的一种新型强化换热机理，由于其较好的换热性能[2]，受到极大的关注．文献[33报道了Tiggelbeck等人在2 000≤Re≤8 000范围内对4种典型涡产生器换热表面进行了对比实验，发现在同时考虑强化换热和压力损失两方面情况时，三角小翼式涡产生器(以下简称WVG)在较大攻击角(>30。)、大RP数(Re~3 ooo)下具有最佳的强化换热性能．文献[4，5]中应用热／质比拟技术，进行涡产生器强化管片式换热器的理论研究和涡产生器式中冷器、散热器在内燃机车冷却系统中应用的研究．在实际运用中，管片式换热器管外侧流体的流动通常处于紊流状态，而已有的数值研究对应的RP一般不超过2 0oo．因此，本文利用数值模拟的方法研究在高RP即紊流的情况下，WVG攻击角在15。～ 45 之间变化时对涡产生器强化圆管管片式换热器换热性能的影响．为了研究方便，分别选取攻击角为15。，3O ，45。进行研究． 1 换热器换热的数学物理模型 1．1 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l所示．图中横向节距S1= 20 mm，纵向节距s2=20 mm，管子直径D一10 mm，翅片间距丁口= 2 mm，WVG高度H= 2 mill 为WVG攻击角(或安装角)．质量守恒和动量守恒是描述流体流动的基本规律．为了便于分析，本文作以下简化假设：1)换热器中流动是稳态的；2)流体具有粘性且不可压缩．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；连续性方程：动量方程： 2 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化网格划分，而在、 WG处由于结构比较复杂，用非结构化网格进行划分．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的比较密，而对于流体流动变化相对平缓的地方，网格划分的疏一些．速度与压力耦合采用同位网格上的SlMPI EC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—e模型加壁面函数法进行计算研究． 3 计算结果及分析 3．1 局部换热性能如图3所示无论光板板芯还是wVG强化板芯，在空气入口处Nu均有较大值，随着离入口距离的增加N 迅速下降，在圆管迎流处又出现一个峰值，从圆管迎流处到圆管尾部N 又逐渐减小．随后两者出现明显不同，WVG强化板芯在圆管尾部wVG处N 出现新的峰值，且其N 值比光板板芯圆管尾部Nu值大得多．如图3所示，随p的增大，wVG处的N 峰值明显增加，圆管尾部气流回流区的范围被压缩的越来越小．这是因为wVG的尾流包括主涡旋、角涡旋(马蹄形涡旋)、诱导涡旋，其中主涡旋、角涡旋是高强度的纵向涡旋，它们对增强流体扰动、强化对流换热起主要作用．在8较小时，产生的纵向涡强度较弱，随着的增大，纵向涡的强度越来越大，并且其影响的区域也向横向发展．因此，随p的增大，WVG处的换热强度和纵向涡的影响区域均增大．尤其是最后一个WVG，由于没有圆管的影响，纵向涡发展的比较充分，由图3可以明显看出随B的增大，WVG产生的纵向涡旋强度增大，局部Nu有很大的提高，换热强度明显增加．图3 忍=9 000时不同WVG攻击角的局部^ji‘数分布圈Fig．3 Local heattransfer coefi cients ofthe diferentattack angles of W VG for Re= 9 000 3．2 横向平均的换热特性图4给出了光板与不同p的强化板芯上、下板面的横向平均Nu 沿主流方向变化的曲线．在W_VG处，不同p的强化板芯上、下板面的Nu 比光板板芯的对应值都要高出很多，尤其是攻击角为45。时，其上、下板面的Nu 比光板对应值都提高了近100 ．在卢由15。～45。的变化范围内，随的增大，WVG强化板芯上、下板面的换热状况都有所改善．在45。时强化换热作用尤为明显．随WVG攻击角的增大，wVG前的角涡旋的强度增大，因此，WVG前一定区域范围内的换热得到增强．另一方面由于WvG产生的主涡旋的强度和影响区域也增大，就加强了主流区流体与近壁层流体的质交换，因此在整体上对板芯的换热能力都有所提高． 3．3 -平均换热与阻力特性由图5可以看出，无论光板板芯还是WVG强化板芯，随着的增加，其平均换热系数都是逐渐增大的．随着的增大，气流速度加快，涡旋数量增多，提高了翅片表面近壁流体与主流体的掺混，增强了对粘性底层的破坏，因而，盈增大时，平均Nu增大．而随着屉的增加，阻力系数都是逐渐减小的．随着的增太，流体流速加快，流体脉动增强，紊流强度随之增大，流体粘滞力减少，所以阻力系数_厂随着＆的增大而逐渐减小．在相同下，随着WVG攻击角的增加，平均换热系数都有所增大，但由15。～3O。时，增加的不是很大，当攻击角为45。时，增加的较为明显，平均Nu比光板时提高了近4O ．在相同下，阻力系数，随wVG攻击角的增加呈上升趋势，这是因为在同一板间距下，相等则进口流速相等，WVG的攻击角增大则其迎风面积增加，导致了流动阻力随攻击角的增大而增加．又由于WVG攻击角变化所引起的流道通流面积改变量很小，所以由WVG攻击角增大所引起的阻力损失的增加量不是很大．综合考虑换热与阻力两方面的因素，在本文的研究范围内，WVG攻击角为45。左右， >3 000时具有较好的强化换热性能．这与文献[3]结论相符． 4 结论 1)在本文研究的w G攻击角在15。～45。变化范围内，随攻击角的增大，WVG产生主涡旋、角涡旋强度都增大在整体上提高了板芯的换热能力．如果攻击角继续增加，当增加到某～值时，纵向涡旋将发生破裂现象．纵向涡旋一旦发生破裂，它的影响范围将减小，强化换热作用也会因此减弱．攻击角的这一临界值还有待进一步的研究． 2)随着WVG攻击角的增大，其迎风面积增加，阻力有所增加． 3)综合考虑换热与阻力两方面的因素，在其它结构参数不变的情况下，WVG攻击角为45。左右，＆ > 3 000时具有较好的强化换热性能．

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