扭帶及渦產生器在管內誘導的二次流強度及其強化傳熱特性研究.pdf

1、發(fā)展強化傳熱技術不僅可以降低換熱設備的成本,而且能滿足溫度控制和高熱流的需求,更是實施節(jié)能減排,倡導關愛環(huán)境的必然要求。二次流強化傳熱技術是利用特定的裝置使流體在換熱空間中產生二次流以提高換熱效率的無源強化傳熱技術?；诙瘟鲝娀瘋鳠岬牡谌鷱娀瘋鳠峒夹g目前已得到廣泛應用,如管翅式換熱器中渦產生器強化翅片和內置扭帶強化傳熱管就是典型代表。為更好的應用二次流強化傳熱技術,首當其沖的任務是找到二次流強度的普遍適用性的定量描述參數,并在此基礎

2、上建立起二次流強度與強化傳熱程度之間的定量關系,最終找到有效利用二次流強化傳熱的方式?？紤]到扭帶與流體的接觸面積過大導致內插扭帶強化傳熱管的摩擦阻力和形體阻力增加,尋找結構簡單、實用、具有優(yōu)越傳熱性能的新型內置擾流元件及優(yōu)化其結構參數是強化傳熱的研究熱點。
　　 本文首先發(fā)展了非正交曲線坐標系下對流傳熱區(qū)域分解的計算方法及程序;對內插扭帶管內層流流動和耦合傳熱進行了數值模擬,定量分析了扭帶的翅片效應對強化傳熱的影響,并細致分析了

3、扭帶結構參數對管內對流換熱特性的影響:提出了與絕對渦通量參數JnABS對應的無量綱參數Se,并闡述了絕對渦通量參數及其無量綱參數的物理意義;采用絕對渦通量參數及其對應的無量綱參數對內插扭帶管內二次流強度進行了定量描述;分析了無量綱參數與對流換熱強度的關系,考查了管內二次流強度對流動邊界層的影響,量化了二次流強度對傳熱強化和阻力增加的貢獻,并分析了二次流強化傳熱效應與熱邊界條件之間的關系;開發(fā)了一種渦產生器式的內插強化傳熱元件以減小扭帶與

4、流體的接觸面積,對內插渦產生器管內層流流動和耦合傳熱進行了數值模擬,并采用正交設計方法初步對渦產生器結構參數進行了初步篩選;分析了渦產生器結構參數對流動與傳熱特性的影響及無量綱二次流強度參數與內插渦產生器管內對流換熱強度的關系。研究發(fā)現:
　　 (1)扭帶熱邊界條件的處理方法對數值結果影響較大。過于簡單的熱邊界條件雖然簡化了物理模型和計算過程,但數值結果與實驗值偏差較大;基于耦合傳熱模型的計算結果與實驗結果吻合較好,通過選擇合適

5、的等效熱阻來考慮扭帶與管壁接觸狀態(tài)對傳熱的影響能進一步提高數值結果和實驗結果的一致性。
　　 (2)絕對渦通量參數JnABS的物理意義可表述為:它表示流體在繞沿主流方向的軸線旋轉的平均角速度;無量綱參數Se的物理意義可表述為:二次流誘導的慣性力和粘性力之比的一種度量。
　　 (3)對于內插扭帶管,無量綱絕對渦通量參數Se與文獻中的無量綱渦旋參數Sw存在線性關系,這說明無量綱絕對渦通量參數Se和無量綱渦旋參數Sw是相容的,

6、但無量綱參數Se具有普遍適應性,同時該參數還具有局部特性。
　　 (4)對于內插扭帶管,管壁為兩種熱邊界條件(UWT和UWHF)下的對流換熱強度Num均隨二次流強度參數Se增大而增大;若不考慮扭帶的翅片效應,Num和δNum(=Num-Num,ref)均與Se存在良好的冪次函數相關,且管壁為等壁溫條件下的二次流強化傳熱效應ηEN(=Num/Num,ref)高于等熱流條件下的ηEN值;同時無量綱參數Se與強化傳熱因子JF存在一定的

7、相關性,這表明Se可以用于估計內插扭帶管內二次流強化傳熱所能達到的性能。
　　 (5)在所研究的結構參數范圍內(Re=200～800,Tr=4.0～6.0,δ/D=0.025～0.1),內插扭帶管內的二次流沒有明顯改變流動邊界層的厚度,這說明內插扭帶管內二次流強化對流換熱的主要原因并不是減薄了速度邊界層厚度。
　　 (6)在所研究的渦產生器結構參數范圍內,在正交設計試驗中以強化傳熱因子JF值最大為設計目標時,影響目標的主

8、要因素與Re數有關,當Re=400時,影響目標的主要因素是渦產生器的間距S’、渦產生器主攻擊角α、基帶寬度W與管子直徑的比值W/D;平行四邊形渦產生器優(yōu)于直角梯形渦產生器,基帶寬度W/D=0.3的目標值優(yōu)于W/D=0.5的目標值,尤其是在等壁溫熱邊界條件下。
　　 (7)對于管內鑲嵌渦產生器元件,在其他結構參數相同的條件下,隨著主攻擊角a的增大,管內二次流強度增強,同時,Nu增大,強化傳熱效應ηEN值也增大;隨著渦產生器間距S'