纵向涡发生器在管翅式换热器中的应用及优化

纵向涡发生器能够在较大幅度提升换热器换热能力的同时,较小幅度地增加其流动阻力。利用三维数值模拟的方法,详细分析和研究了纵向涡发生器对管翅式换热器传热流动的影响;并对纵向涡发生器的关键参数（攻角,数目,摆放位置）进行了优化。结果表明：纵向涡发生器的攻角为15°,采用3对矩形小翼时,管翅式换热器的空气侧换热能力的提升幅度超过了其流动阻力增加的幅度,与未采用强化措施的换热器相比,其空气侧传热系数提升了71.3%～87.6%,相应的流动阻力增加了54.4%～72%;空气侧的换热能力随着纵向涡发生器数目的增加而逐渐变大,但空气侧的局部换热能力在第5根换热管之后几乎不受涡发生器数目的影响;与纵向涡发生器的顺排布置相比,纵向涡发生器以交错叉排的方式布置时,可以在保证强化换热水平的同时,进一步减小换热器流道内的流动阻力。     

翼型涡发生器对半圆形螺旋通道的换热强化机理

为考察不同形状和布置方式的翼型涡发生器强化半圆形截面螺旋通道的换热特性,对单一以及安装了jxjs、jxjk、sjjs和sjjk 4种涡发生器的螺旋通道内流动与换热特性进行了数值研究,数值模拟结果与实验结果吻合较好。结果表明,研究范围内涡发生器前后180°范围内的换热壁面平均Nusselt数与单一通道的相应值之比的平均值在1.044～1.074之间,流动阻力系数f/f₀在1.105～1.188之间。对传热效果而言,矩形翼优于三角形翼,对翼渐缩布置优于渐扩布置。涡发生器产生的纵向脱落涡旋改变了原有的二次流场结构,改善了速度场和温度场的协同性,强化了传热。安装jxjs和sjjs型涡发生器的复合二次流场分别为4涡和2个大涡结构,Re=8000时两者在通道内强化换热作用范围分别可达10.47和12.56倍翼高的距离。     

翼型涡发生器对半圆形螺旋通道的换热强化机理

为考察不同形状和布置方式的翼型涡发生器强化半圆形截面螺旋通道的换热特性,对单一以及安装了jxjs、jxjk、sjjs和sjjk 4种涡发生器的螺旋通道内流动与换热特性进行了数值研究,数值模拟结果与实验结果吻合较好。结果表明,研究范围内涡发生器前后180°范围内的换热壁面平均Nusselt数与单一通道的相应值之比的平均值在1.044~1.074之间,流动阻力系数f/f0在1.105~1.188之间。对传热效果而言,矩形翼优于三角形翼,对翼渐缩布置优于渐扩布置。涡发生器产生的纵向脱落涡旋改变了原有的二次流场结构,改善了速度场和温度场的协同性,强化了传热。安装jxjs和sjjs型涡发生器的复合二次流场分别为4涡和2个大涡结构,Re=8000时两者在通道内强化换热作用范围分别可达10.47和12.56倍翼高的距离。     

新型强化换热方法的换热性能研究

通过分析设置翼涡发生器、扰流柱 ,采用多头螺旋槽管等几种新型强化换热方法的换热性能 ,得出不同涡发生器强化换热程度不同及换热增强与压力损失的最佳强化效果有别。并指出大容量设备即紧凑式换热器的研究为强化换热、节能降耗提供了可能 ,发展前景广阔。     

新型强化换热方法的换热性能研究

通过分析设置翼涡发生器、扰流柱，采用多头螺旋槽管等几种新型强化换热方法的换热性能，得出不同涡发生器强化换热程度不同及换热增强与压力损失的最佳强化效果有别。并指出大容量设备即紧凑式换热器的研究为强化换热、节能降耗提供了可能，发展前景广阔。     

组合涡发生器强化螺旋通道换热的数值研究

旨在研究B形翼和柱形涡发生器组合后强化矩形螺旋通道内流体换热的特性。采用CFD模拟的方法分析了量纲一曲率κ、B形翼攻角α对螺旋通道内流体流动和换热的影响,并利用综合强化因子G表征组合涡发生器的综合强化效果。结果表明:B形翼改变了柱后二次流的结构,在柱后截面的中心区域形成一对方向相反的附加涡,减小了柱后尾迹区的尺寸,增大了柱后流体的温度梯度,强化了传热;在所研究范围内,α增大,组合涡发生器强化传热效果先增大后减小,在攻角α=40°—45°时强化传热效果最优;α一定,κ值越小,组合涡发生器的强化效果越好,相对于只有柱时,其Nu提高了56.45%—69.08%,G提高了24%—37%。     

窄隙通道内纵向涡作用下汽泡行为可视化研究

当流体流过纵向涡发生器时,会在纵向涡发生器后产生沿纵向移动的涡旋,这些纵向涡的强烈运动,促进了主流区与传热壁面附近的流体搅混,削薄或破坏边界层,实现了强化传热。在窄间隙矩形通道内的加热板上布置矩形块的纵向涡发生器,通过正面450 mm×40 mm和侧面3 mm宽的石英玻璃可视窗内对纵向涡作用下的汽泡行为进行了可视化研究。通过分析纵向涡对单个汽泡、多个汽泡和汽泡演化作用特性的影响,表明纵向涡对汽泡产生了强烈的扰动作用,抑制了汽泡在加热板上的长大和聚集,加强了近壁区热流体和流道中央区冷流体之间质量、动量和能量的交换,对加热板表面的热边界层起到破坏和削薄作用,从而使汽液二相工况下的传热明显强化。由于纵向涡发生器作用距离远、结构简单,对平面或近似平面的窄间隙换热结构,具有良好的应用前景。     

矩形窄通道内带纵向涡发生器的传热强化

对带有纵向涡发生器的水平矩形窄通道内水的强化传热与阻力特性进行了实验研究,得出了Re在3000～20000(过渡区和湍流区)范围内纵向涡发生器不同安装形式对水的流动与换热特性的影响规律.结果表明：带纵向涡发生器(LVGs)的通道比光通道的传热因子j提高了25％～55％,同时阻力有所增加.在3种不同比较准则(相同泵功、相同压降及相同质量流量)条件下,两侧安装有交叉方向LVGs的通道换热效果较好,顺流方向换热效果略好于逆流方向.     

三角对翼和圆柱组合强化螺旋通道换热的数值研究

本文旨在研究三角对翼和柱形涡发生器组合后强化矩形螺旋通道内流体换热的特性。采用CFD模拟的方法分析了对翼攻角α、无量纲参数高度h_i'对螺旋通道内流体流动和换热的影响。结果表明:三角翼采用下降流型布置时,在柱后θ=10°的截面上二次流呈四涡结构,加速尾迹区与主流流体的混合,强化了传热;在所研究范围内,α增大,组合涡发生器强化传热效果先增大后减小,在攻角α=30°时强化传热效果最优;其它参数相同时,三角翼h_i'增大,螺旋通道的Nu和阻力系数f均增大,但综合因子G减小。     

纵向涡强化圆管内换热的数值模拟及性能分析

对布置有涡发生器小翼对的圆管内部湍流流动和强化传热特性进行了三维数值模拟。研究了涡发生器的形状和对数对流动传热特性的影响并采用综合性能指标进行优化。结果表明：涡发生器后横截面上产生的多纵向涡结构使管内流体混合更加充分,促进了壁面边界层与主流的动量和能量交换,提高了传热强度。每排4对矩形小翼时的换热性能最好,Nusselt数比光管平均提高了27.2%。相同形状下,每排4对涡发生器的综合性能均高于每排3对;相同对数下,梯形小翼的综合性能最好,三角形小翼次之,矩形小翼最差。每排4对梯形小翼时的整体综合性能最优,性能评价标准达到了0.97～1.07。     

涡产生器结构参数对管片式换热器局部传热特性的影响

通过萘升华传质/传热比拟实验,研究了涡产生器攻角θ、形状角β及跨局Δy对顺排圆管管片式板芯传热特性的影响.结果表明,涡产生器可显著改善圆管尾部回流区的换热;对给定的Re数,Nu数随攻角的增大而增大;适当减小形状角可以扩大涡旋的影响区域,从而使换热增强;当Re数较小时,适当减小跨距会更有效地改善圆管尾部回流区的换热.     

Hydrodynamics and heat transfer characteristics of a novel heat exchanger with delta-winglet vortex generators

The effects of vortex generators on heat transfer and pressure drop of a novel heat exchanger are investigated using computational fluid dynamics (CFD) method. The Reynolds numbers based on fin collar outside diameter varied from 600 to 2600, the attack angle from 10° to 50°, and the aspect ratio from 1 to 4. The numerical results are also analyzed from the view point of field synergy principle, according to which the reduction of the intersection between velocity and temperature gradient is the basic mechanism for augmentation of heat transfer. The results indicate that the enhanced configurations produce the longitudinal vortices and accelerate the flow, which result in significant augmentations of heat transfer with modest pressure drop penalties. It was found that the delta-winglet vortex generator with an attack angle of 20°and an aspect ratio of 2 provides the best integrated performance over the range of Reynolds number computed. The Colburn j-factor of the optimal configuration is shown to increase by 35.1–45.2% with a corresponding increase of 19.3–34.5% in the friction factor.     

不连续双斜向内肋强化换热管性能

引言管壳式换热器在石油化工、能源动力、造纸、制药等领域应用十分广泛,换热强化对于其节能降耗具有十分重要的意义.近30年研制开发出几十种强化换热管,例如螺旋槽管、波纹管和翅片管等,并得到了比较成功的应用.但相关的研究多数仍然停留在经验的基础上,即研究者根据其经验设计出某种具体的强化技术,然后通过实验和数值计算归纳出适用于一定范围的经验关联式.因此,传热强化研究目前仍属于技术领域[1],研究人员通常所采用的经验性的研究方法不可避免存在着一定的局限性.过增元等[2]提出了一种新的强化换热理论———对流换热场协同理论,为对…     

内置涡流发生器的管内过冷沸腾与强化换热的模拟

采用欧拉双流体模型结合RPI沸腾模型对高压管内过冷沸腾进行三维非稳态模拟,考察了涡流发生器对管内过冷沸腾的影响,模拟了高压下光管内的过冷沸腾、层流下内置涡流发生器的换热管内的流动和湍流下内置涡流发生器的换热管内的过冷沸腾。结果表明,内置涡流发生器的换热管在层流状态下换热能力明显提升,过冷沸腾时管内换热能力有一定提升,且壁面附近的气泡由于扰流作用被大量卷入锥形片内,降低了壁面附近产生气膜的可能性,延迟了过冷沸腾起始点的位置。     

平行流分隔板管壳式换热器壳侧流场与传热性能

引　言在石油、化工、能源、建筑、冶金、轻工、核能、制冷、动力乃至火箭、航天航空等工业领域[1] 大量使用各种换热器 ,所以研究开发高性能换热设备提高传热性能是节能增效的重要途径之一 .如图 1(a)所示的单弓形折流板管壳式换热器已经在工业中使用了上百年 ,而且迄今一直是     

流线型涡发生器与螺旋片强化换热器壳侧传热

为降低翅翼型纵向涡发生器与螺旋片复合强化的套管式换热器壳侧传热阻力,提出一种新型翅翼型纵向涡发生器,即流线型涡发生器。采用实验和数值模拟方法研究了流线型涡发生器与螺旋片复合强化的换热器壳侧的传热和阻力特性并与三角翼型涡发生器（DWP）的强化效果进行比较,考察了流线型涡发生器common-flow-down（CFD）和common-flow-up（CFU）两种安装方式的强化效果,分析了流线型涡发生器的减阻机理。结果表明,在涡发生器面积和迎流角相同的情况下,流线型涡发生器可以取得与三角翼型涡发生器相同（Re<8000）或略低（Re>8000）的传热系数,但其产生的流动阻力比三角翼型涡发生器低21%;在相同压降条件下,common-flow-up安装方式的综合传热效果优于common-flow-down;流线型涡发生器减阻机理在于提高了速度场与压力场的协同性。     

三角形纵向涡在管翅式换热器的应用及优化

纵向涡能够在增加管翅式换热器换热系数,同时较小幅度地增加其流动阻力。本文通过对4种结构的翅片(未进行任何处理的平翅片,结构为高为H3/6、H4/6、H5/6且攻角为30°长高比为2)进行数值模拟。结果显示安装纵向涡发生器的翅片的传热系数明显增强,且最高增加49%。在换热系数增加的同时阻力系数j也有明显的增加。其中安装纵向涡H5/6型翅片的阻力因子增加最小与平翅片几乎相同。最后本文通过对综合评价因子j/f的比较得知安装H5/6型纵向涡翅片具有最好的综合效果。     

重力型热管结构优化数值模拟及传热实验研究

针对热管换热器及重力型热管,研究了其在涡流发生器及翅片加热管对换热器的换热影响,对换热器的热管结构进行了优化,最后通过实验对各种结构的换热管进行传热特性研究,并对理论部分进行了验证,通过横向翅片和裸管的换热效果,在对热管加装翅片的基础上,加装涡流发生器,通过对没有安装涡流发生器的翅片热管与之进行对比,并应用温度场与速度场对换热增强机理进行说明。