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。     

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。     

矩形截面高宽比对射流强化螺旋通道传热性能的影响

为了进一步探究具有不同截面高宽比的单一螺旋通道内流体湍流流动与换热特性以及射流对矩形截面螺旋通道的强化传热效果,采用计算流体动力学软件模拟研究了高宽比γ分别为0.625, 1.1, 1.6和2.5时,单一矩形螺旋通道及射流作用下螺旋通道内的湍流流场、二次流场及强化换热特性。结果表明,对于单一矩形螺旋通道,相同横截面积和流量时,仅当γ≥1.6的通道在高雷诺数下二次流会出现四涡结构,其余为两涡结构。对于单一螺旋通道,γ值越大流动阻力越小,同时换热性能越差。加入射流后,矩形截面四个壁面的换热能力均有提高,γ值越大射流的强化传热效果越显著,研究范围内局部壁面换热努塞尔数的平均值(Nulocal)m最高可为单一螺旋通道的2.51倍。考虑流量增加的影响,射流影响下的螺旋通道区域内综合强化传热因子PEC2在1.05~1.21之间。     

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%。     

腰槽开孔矩形翼涡流发生器的传热和流阻特性

涡流发生器是一种广泛应用的被动强化传热元件,在换热器的换热壁面上以阵列形式布置。涡流发生器靠诱导和产生涡旋来削减或破坏壁面边界层从而达到强化换热。本文对安装腰槽开孔矩形翼涡流发生器和未冲孔矩形翼涡流发生器以及圆孔矩形翼涡流发生器的矩形通道进行了传热和流阻特性的实验研究。实验雷诺数范围为Re=1000~4000。结果表明:在相同雷诺数下,安装有腰槽开孔矩形翼涡流发生器的矩形通道的换热效果和流阻特性优于未冲孔矩形翼涡流发生器和圆孔矩形翼涡流发生器,腰槽开孔矩形翼涡流发生器综合换热性能最好。涡流发生器布置攻角和纵向间距对腰槽开孔矩形翼涡流发生器传热和流阻有较大影响,对比不同涡流发生器布置攻角和纵向间距,得出90°攻角布置和纵向间距为80mm布置的腰槽开孔矩形翼涡流发生器总和换热性能最好。     

带有三角翼涡发生器的螺旋通道强化换热研究

采用数值模拟方法探究了带有三角翼型涡发生器的半圆形截面螺旋通道内流体流动与强化传热性能，考察了相邻三角翼间隔角φ、长高比Г对强化传热性能的影响。结果表明：通道内安装三角翼的φ值越小，对流体的整体扰动作用越强，强化换热效果越好，但同时流动阻力也越大；研究范围内，φ=180°布置的三角翼综合强化传热效果最佳。同一雷诺数Re条件下，三角翼Г值越大综合传热系数PEC值越高。φ=180°、Г=2.50时，综合传热系数PEC在1.029～1.062之间。     

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.     

射流式涡发生器强化矩形螺旋通道内流体换热机理

提出利用射流式涡流发生器(JVG)强化螺旋通道内流体的换热。采用三维激光多普勒测速仪(LDV)测量了曲率为0.134并安装了JVG的矩形截面螺旋通道内流体的流动特性,实验结果与数值模拟结果吻合较好。获得了安装JVG的螺旋通道内复合二次涡旋的演变规律以及射流在螺旋通道内的衰减过程。结果表明,射流的冲击和卷吸作用改变了单一螺旋通道内背离壁面(common-flow-up, CFU)结构的离心二次涡旋,在射流的起始段形成了一对冲向壁面(common-flow-down, CFD)结构的二次涡旋。随着流动的发展,CFD涡旋经历了快速形成、缓慢分解并逐渐耗散的过程。射流速比ε_j在1.48～4.02范围内时,射流在螺旋通道内沿主流方向的作用距离可达40d_h～74d_h(d_h为螺旋通道当量直径)。射流提高了通道换热壁面附近处速度场与温度场的协同性,实现了换热强化。研究范围内,换热壁面平均Nusselt数的最大值相对于单一螺旋通道提高了28%～248%。     

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。     

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(Re8000)或略低(Re8000)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。     

变扭率扭旋叶片强化传热特性

为探究扭旋叶片的结构参数--扭率变化率Tv对管道换热的影响,以水为介质,在Tv=-5~5范围内,采用实验和数值模拟方法研究了恒壁温条件下流体的传热和阻力特性,并分析了综合传热性能及强化传热机理。结果表明,沿流动方向Tv>0的扭旋叶片安装方式强化传热效果优于Tv=0,研究范围内Tv=2.5时综合强化传热比最高,相对Tv=0平均提高5.0%。而Tv<0时强化传热效果劣于Tv=0,应避免此种叶片安装方式。扭率的变化影响了流场结构,当Tv>0时,在近1/2流动区域内绕流旋涡的涡量和影响区域明显增加,同时,在绕流旋涡流动区域,压力、速度和温度的三场协同程度得到提高,进而强化了换热管道的传热效果。     

涡发生器与螺旋片强化不同曲率的壳侧传热

为考察涡发生器与螺旋片对不同曲率的套管式换热器壳侧的传热强化效果,在不同中径的壳侧安装了相同密度的螺旋片和三角翼型涡发生器。以空气为介质,在Re=680～16000范围内,采用实验和数值模拟方法研究了壳侧的传热和阻力特性,考察了不同曲率下复合强化的壳侧的综合性能,分析了传热强化机理。结果表明,曲率越大,壳侧传热系数越高,摩擦因数越大。对曲率分别为0.131、0.321和0.440的3种换热器壳侧,涡发生器将其传热系数平均提高了31.52%、20.83%和18.33%。小曲率和复合强化的壳侧综合性能更好。涡发生器改变了换热器壳侧的流场结构,提高了速度场和温度场之间的协同性,从而提高了换热器壳侧的传热效果。     

变扭率扭旋叶片强化传热特性

为探究扭旋叶片的结构参数——扭率变化率Tv对管道换热的影响,以水为介质,在Tv=-5~5范围内,采用实验和数值模拟方法研究了恒壁温条件下流体的传热和阻力特性,并分析了综合传热性能及强化传热机理。结果表明,沿流动方向Tv0的扭旋叶片安装方式强化传热效果优于Tv=0,研究范围内Tv=2.5时综合强化传热比最高,相对Tv=0平均提高5.0%。而Tv0时强化传热效果劣于Tv=0,应避免此种叶片安装方式。扭率的变化影响了流场结构,当Tv0时,在近1/2流动区域内绕流旋涡的涡量和影响区域明显增加,同时,在绕流旋涡流动区域,压力、速度和温度的三场协同程度得到提高,进而强化了换热管道的传热效果。     

安装涡发生器的矩形截面螺旋通道内流体流动

对安装三角翼型涡发生器的曲率为0.05的矩形截面螺旋通道内的流场进行了实验测量,并将测量值与模拟值进行比较,二者吻合较好。利用数值模拟方法研究了矩形截面螺旋通道内涡量的演变过程,研究了曲率及Reynolds数对涡发生器有效作用距离的影响。结果表明,安装三角翼型涡发生器后,矩形截面内靠近内壁处新出现了两个common-flow-down型的二次涡,新出现的额外涡量的极值为原有涡量的2.0~2.8倍。Reynolds数越大,曲率越小,涡发生器的有效作用距离越长。当曲率为0.05,迎流角为10°,Reynolds数为5370时,其值可达翼高的79倍。     

射流强化螺旋通道内流体流动与换热的数值模拟

采用CFD软件模拟了射流作用下圆形截面螺旋通道内流体的流动及强化传热特性,模拟结果与实验结果吻合较好。研究了无量纲曲率?=0.061、无量纲螺距?=0.121的螺旋通道内复合涡旋结构及其演变过程,考察了射流入射角度?=π/6~π/3、射流速比?j=3~6时射流对螺旋通道换热的强化效果。结果表明,射流的初始阶段,射流的冲击作用抑制了单一螺旋通道内的离心二次涡旋,生成一对与其旋转方向相反的射流诱导涡旋,随流动发展,射流诱导涡旋先由两涡演变为单涡结构而后逐渐耗散消失。射流作用显著强化了螺旋通道内侧壁面附近流体的换热,随着?减小或?j增大,强化传热效果增强。?j≥4时,不考虑射流流量增加时综合强化传热因子JF1=1.26~1.67,考虑射流流量增加时JF2=1.008~1.19。     

扁管换热器内纵向涡强度与换热强度对应关系

纵向涡强化传热技术在管翅式换热器中得到了广泛的应用。但是一直以来对纵向涡强化传热的研究主要停留在涡产生器结构参数及布置方式对换热的影响方面,文献对纵向涡强度与换热强度之间定量关系的研究鲜有报道。建立了采用纵向涡强化传热的扁管管翅换热器数值模型,采用二次流强度参数Se分析了翅片及涡产生器结构参数变化时,通道内纵向涡强度与换热强度之间的定量关系;并定量分析了通道中涡产生器引起的纵向涡强度增量与传热强化量之间的定量关系。结果表明:翅片及涡产生器结构参数变化时,Nu、Se与Re之间,以及阻力系数f与Re及Se之间均不存在定量对应关系,但Se与Nu以及?Se与?Nu之间存在对应关系。这表明,在布置有纵向涡产生器的扁管管翅换热器翅侧通道内,纵向涡强度决定了通道内的换热强度。     

扁管换热器内纵向涡强度与换热强度对应关系

纵向涡强化传热技术在管翅式换热器中得到了广泛的应用。但是一直以来对纵向涡强化传热的研究主要停留在涡产生器结构参数及布置方式对换热的影响方面,文献对纵向涡强度与换热强度之间定量关系的研究鲜有报道。建立了采用纵向涡强化传热的扁管管翅换热器数值模型,采用二次流强度参数Se分析了翅片及涡产生器结构参数变化时,通道内纵向涡强度与换热强度之间的定量关系;并定量分析了通道中涡产生器引起的纵向涡强度增量与传热强化量之间的定量关系。结果表明:翅片及涡产生器结构参数变化时,Nu、Se与Re之间,以及阻力系数f与Re及Se之间均不存在定量对应关系,但Se与Nu以及ΔSe与ΔNu之间存在对应关系。这表明,在布置有纵向涡产生器的扁管管翅换热器翅侧通道内,纵向涡强度决定了通道内的换热强度。     

圆管内置梯形翼片的流场特性PIV实验

诱导流体产生纵向涡结构可以有效强化对流换热,因此研究纵向涡发生器的扰流特性对于深化强化传热机理具有重要意义。利用粒子成像测速(PIV)技术,对圆管内置梯形翼片扰流后的流场进行了测量,实验中4个梯形翼片沿周向均布,与管壁夹角135°呈迎流放置,分析了横、纵截面内的流场结构和流动特点。结果显示,管内放置翼片能够诱导形成多纵向涡流动,在下游产生了4个对称的涡偶,每个涡偶对应的两个涡旋转方向相反,形成了内侧向壁流,外侧背壁流的流动结构,增大了垂直于主流方向上的速度分量。实验涉及的Reynolds数范围内,翼片下游横截面内的横向速度和径向速度分别达到主流均速的27%和20%以上;纵向涡沿壁面向下游发展可对流体产生持续扰动,使近壁流体的速度相对于光滑管提升了约1.0～3.6倍;翼片对流体的扰动作用随着Reynolds数的增大而增强,对于圆管内对流换热的强化具有促进作用。     

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。     

矩形截面螺旋通道内流体的流动特性

为合理强化内管外壁带螺旋翅片的套管式换热器,对矩形截面螺旋通道内流体的流动特性进行了实验和数值研究。高宽比为3.5的矩形截面螺旋通道速度场的实验测量值与模拟值吻合较好。采用正交螺旋坐标系统分析了不同高宽比矩形截面螺旋通道内的轴向速度、二次流速度、流函数以及涡量的分布规律。结果表明,矩形截面螺旋通道内轴向速度最大值偏向外壁;截面上出现两个二次涡;上半截面流体粒子的二次流动方向为顺时针,下半截面流体粒子的二次流动方向为逆时针;除了壁面上涡量较大以外,截面中心出现了两个相反的涡量。随高宽比增大,轴向速度最大值逐渐向上半截面移动;两个二次涡分别向两端移动;截面中心处的涡量逐渐变弱。因此,对于利用二次流动来强化传热的螺旋翅片管换热器,当矩形截面高宽比较大时,应该采取措施改善其中心处的二次流动以进一步提高换热效果。