宋克偉，劉松，王良璧（蘭州交通大學(xué)機(jī)電學(xué)院鐵道車輛熱工教育部重點實驗室，甘肅 蘭州 730070）

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換熱器通道內(nèi)反向旋轉(zhuǎn)縱向渦間的干涉特性

宋克偉，劉松，王良璧
（蘭州交通大學(xué)機(jī)電學(xué)院鐵道車輛熱工教育部重點實驗室，甘肅 蘭州 730070）

摘要：縱向渦能以較小的壓力損失獲得較大程度的傳熱強(qiáng)化，在換熱器空氣側(cè)強(qiáng)化傳熱中得到了廣泛應(yīng)用。換熱器通道內(nèi)通常存在多個縱向渦，縱向渦之間的干涉會不可避免地影響縱向渦的強(qiáng)度和強(qiáng)化傳熱性能。建立了換熱器通道中旋轉(zhuǎn)方向相反的兩個縱向渦之間的干涉模型，通過數(shù)值方法分析了不同渦產(chǎn)生器橫向間距下縱向渦之間的干涉現(xiàn)象。通過縱向渦強(qiáng)度定量研究了渦間干涉對縱向渦強(qiáng)度、流動阻力以及強(qiáng)化換熱的影響。結(jié)果表明：旋轉(zhuǎn)方向相反的兩個縱向渦之間的干涉隨著渦產(chǎn)生器間距的減小而增大；在渦產(chǎn)生器間距為零時縱向渦間干涉程度最大，縱向渦強(qiáng)度Se、Nu以及阻力系數(shù)f的變化量均達(dá)到最小值；在本文計算參數(shù)范圍內(nèi)，縱向渦引起的Se和Nu的變化量最大差別達(dá)到45%和50%，f的變化達(dá)到38%；縱向渦干涉并非一定不利于換熱，縱向渦干涉后的流動結(jié)構(gòu)影響其強(qiáng)化傳熱性能。在渦產(chǎn)生器橫向間距為渦產(chǎn)生器底邊橫向投影長度的2倍時，可以利用縱向渦干涉獲得最佳傳熱性能。

關(guān)鍵詞：縱向渦；強(qiáng)度；干涉；對流；傳熱；數(shù)值分析

2015-05-18收到初稿，2015-09-16收到修改稿。

聯(lián)系人：王良璧。第一作者：宋克偉(1980—)，男，博士，副教授。

Received date: 2015-05-18.

Foundation item: supported by the National Natural Science Foundation of China (51366008，51376086) and Gansu Provincial Foundation for Distinguished Young Scholars (145RJDA324).

引　言

換熱器是在工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛的熱量交換設(shè)備。由于換熱器的熱阻主要集中在空氣側(cè)，在一定程度上限制了換熱器傳熱系數(shù)和綜合性能的提高。改進(jìn)和發(fā)展新的空氣側(cè)強(qiáng)化傳熱技術(shù)，是發(fā)展高效緊湊式換熱器的必然要求。

縱向渦是旋轉(zhuǎn)軸與流動方向一致的渦運(yùn)動?？v向渦能以較小的壓力損失獲得較大程度的傳熱強(qiáng)化，采用縱向渦來強(qiáng)化換熱器空氣側(cè)換熱的研究取得了很大的進(jìn)展并被廣泛應(yīng)用[1-3]。在管翅式換熱器中，研究人員設(shè)法通過提高通道內(nèi)縱向渦的強(qiáng)度來達(dá)到更好的強(qiáng)化傳熱效果[4-11]。由于縱向渦在沿主流傳播時不斷衰減，為了保證縱向渦有一定強(qiáng)度，渦產(chǎn)生器之間的縱向距離要小于縱向渦的傳播距離。在通道中傳播的縱向渦相遇時就不可避免地存在不同強(qiáng)度縱向渦之間的相互干涉現(xiàn)象。渦干涉使得縱向渦間互相影響，縱向渦強(qiáng)度及流場發(fā)生明顯變化，從而影響縱向渦的強(qiáng)化傳熱性能。

雖然國內(nèi)外關(guān)于縱向渦及其在強(qiáng)化傳熱方面應(yīng)用的文獻(xiàn)很多[1-15]，但關(guān)于縱向渦干涉及其對換熱影響的研究則很少。文獻(xiàn)[16-20]研究了通道中布置渦產(chǎn)生器時，縱向渦與邊界層之間的相互干涉對渦產(chǎn)生器下游區(qū)域壁面換熱的影響，發(fā)現(xiàn)縱向渦誘導(dǎo)流體流向壁面時，縱向渦與邊界層干涉后有利于壁面換熱；而當(dāng)流體被縱向渦誘導(dǎo)離開壁面時，不利于壁面換熱。宋克偉等[21]利用流動顯示技術(shù)定性分析了通道內(nèi)兩個旋轉(zhuǎn)方向相反的縱向渦之間的干涉現(xiàn)象。Liu等[22]在研究管子橫向間距對扁管管翅式換熱器翅片表面?zhèn)鳠嵝阅艿挠绊憰r發(fā)現(xiàn)，當(dāng)渦產(chǎn)生器的大小和布置方式相同時，第2排管周圍翅片表面局部換熱峰值隨橫向間距的減小而下降。出現(xiàn)這一結(jié)果的主要原因是第1排扁管周圍渦產(chǎn)生器產(chǎn)生的縱向渦和第2排扁管周圍渦產(chǎn)生器所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)方向相反的縱向渦發(fā)生干涉后，縱向渦強(qiáng)度減弱，導(dǎo)致第2排管周圍翅片表面換熱能力下降。Zhu等[23]通過數(shù)值方法分析了扁管管翅換熱器通道中渦產(chǎn)生器產(chǎn)生的縱向渦之間的干涉對流場及換熱性能的影響，并對縱向渦干涉引起的縱向渦強(qiáng)度變化進(jìn)行了定性分析。

遺憾的是，由于縱向渦干涉的復(fù)雜性和定量描述參數(shù)的缺乏，現(xiàn)有關(guān)于縱向渦干涉的研究主要停留在實驗觀察和定性分析層面上，對縱向渦干涉及其強(qiáng)化傳熱機(jī)理的認(rèn)識還有很多不足和未知之處，關(guān)于縱向渦間干涉對縱向渦強(qiáng)度影響的定量研究還未見報道。因此，定量研究縱向渦干涉現(xiàn)象有助于揭示縱向渦干涉及其強(qiáng)化傳熱機(jī)理，促進(jìn)其工程應(yīng)用。

對縱向渦干涉開展定量研究需要描述縱向渦強(qiáng)度的定量參數(shù)。關(guān)于縱向渦強(qiáng)度定量描述參數(shù)的文獻(xiàn)較少。Manglik等[24]提出用量綱1數(shù)Sw來衡量內(nèi)插紐帶圓管內(nèi)的二次流強(qiáng)度，Dean[25]提出用量綱1數(shù)De來描述螺旋圓管內(nèi)的二次流的強(qiáng)度。但Sw 和De僅分別適用于描述內(nèi)插紐帶管內(nèi)和螺旋圓管內(nèi)的二次流強(qiáng)度，不適用于其他二次流場合。Song 等[26]和Chang等[27]用主流方向的渦通量在橫截面上的平均值來衡量二次流的強(qiáng)度。但由于橫截面上渦通量的平均值是有量綱量，其規(guī)律不具有普遍適用性。隨后Song等[28]提出了描述二次流強(qiáng)度的量綱1參數(shù)Se

式中，Us為二次流的特征速度。ωn是渦量在主流方向的分量。

雖然Se定義式(1)與Re的定義公式形式相同，但兩者物理意義不同。Re代表由主流引起的慣性力與黏性力的比值，反映的是主流的流動情況；而Se表征了由二次流所引起的流體慣性力與黏性力的比值，反映的是二次流的流動情況。Se為定量研究縱向渦強(qiáng)度和縱向渦干涉對縱向渦強(qiáng)度的影響提供了有力的工具。

本文利用二次流強(qiáng)度參數(shù)Se定量研究了旋轉(zhuǎn)方向相反的兩個縱向渦間干涉對縱向渦強(qiáng)度、流場及傳熱的影響，對縱向渦干涉現(xiàn)象有了新的認(rèn)識。改變了一直以來認(rèn)為旋轉(zhuǎn)方向相反的縱向渦干涉不利于換熱的片面認(rèn)識，可以通過合理的布置渦產(chǎn)生器，利用縱向渦干涉獲得最佳的傳熱性能。

1　物理模型

換熱器通道中不同渦產(chǎn)生器產(chǎn)生的縱向渦之間是否干涉取決于縱向渦間橫向距離的大小。本文建立的來流中旋轉(zhuǎn)方向相反的兩個縱向渦之間的干涉模型如圖1所示。

兩個三角小翼式渦產(chǎn)生器布置在下翅片表面，渦產(chǎn)生器的高度H=1.4 mm，底邊長2H，攻擊角θ=35°，翅片間距tp=2 mm，計算區(qū)域?qū)挾菳=14 mm、長度L=44 mm，渦產(chǎn)生器距入口距離D=10 mm，結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖2所示。兩渦產(chǎn)生器間縱向間距保持不變，選取不同渦產(chǎn)生器橫向間距如表1所示。c1～c3與c5～c7對應(yīng)的渦產(chǎn)生器間距雖然相同，但兩個渦產(chǎn)生器之間的布置關(guān)系不同，如圖2(b)、(c)所示。

為分析方便，將前面渦產(chǎn)生器記為VG1，后面渦產(chǎn)生器記為VG2。VG1產(chǎn)生的縱向渦順時針旋轉(zhuǎn)，VG2產(chǎn)生的縱向渦逆時針旋轉(zhuǎn)，如圖3所示。圖3(a)、(b)中渦產(chǎn)生器布置分別與圖2(b)、(c)相對應(yīng)。當(dāng)渦產(chǎn)生器間距c從c1逐漸變化到c8時，渦產(chǎn)生器VG1和VG2產(chǎn)生的縱向渦位置按圖3中箭頭方向變化。

圖1　干涉模型示意圖Fig. 1　Schematic view of physical model

圖2　渦產(chǎn)生器布置示意圖Fig.2　Arrangement of VGs

表1　渦產(chǎn)生器橫向間距cTable 1　Transversal distance between VGs

圖3　渦產(chǎn)生器布置與縱向渦Fig.3　Relationship between arrangement of VGs and longitudinal vortices

2　控制方程及邊界條件

流動介質(zhì)為黏性不可壓空氣，處于定常、層流發(fā)展?fàn)顟B(tài)，忽略體積力和黏性耗散，控制方程為：連續(xù)性方程

動量方程

能量方程

流動處于起始段，下角標(biāo)in、out分別表示進(jìn)口和出口，流體進(jìn)口和出口邊界條件為

在固體壁面上

定型尺寸dh

Re及阻力系數(shù)f定義如下

局部Nu Ts(x)為流體在坐標(biāo)x處橫截面平均溫度

通過對Nulocal在換熱表面積分，可以得到橫向平均值Nus

換熱面平均Nu

橫截面平均二次流強(qiáng)度Ses為

流動區(qū)域的平均二次流強(qiáng)度為：

通過從帶渦產(chǎn)生器通道中得到的物理量數(shù)值中減掉不帶渦產(chǎn)生器通道中相應(yīng)的數(shù)值，便可得到引入渦產(chǎn)生器后所引起的變化量ΔNus、ΔSes、ΔNu、ΔSe及Δf。

3　數(shù)值方法及網(wǎng)格考核

數(shù)值計算通過Fortran編程，采用適體坐標(biāo)，將物理空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到計算空間坐標(biāo)下進(jìn)行計算。采用有限容積法對控制方程進(jìn)行離散，對流項使用乘方格式，擴(kuò)散項采用中心差分格式，采用Simple算法處理壓力與速度場的耦合問題。

本文計算模型所使用的網(wǎng)格系統(tǒng)及VG標(biāo)示如圖4所示。為保證渦產(chǎn)生器處網(wǎng)格的質(zhì)量，在渦產(chǎn)生器區(qū)域網(wǎng)格加密。為保證渦產(chǎn)生器的形狀，要求渦產(chǎn)生器處網(wǎng)格在各個方向均勻，并且網(wǎng)格尺寸在x，y，z方向保持一特定比例。

圖4　網(wǎng)格及VG標(biāo)示Fig.4　Grid system and mark of VG

網(wǎng)格獨立性考核選擇了3組網(wǎng)格(x′y′z)：132×92×22、194×142×32、268×196×44，細(xì)網(wǎng)格在3個坐標(biāo)方向的數(shù)量均達(dá)到粗網(wǎng)格數(shù)的2倍。在Re=1000時，3組網(wǎng)格計算結(jié)果如表2所示。不同網(wǎng)格密度下，平均Nu與f的最大誤差均小于1%。綜合考慮網(wǎng)格質(zhì)量、計算精度和效率，文中所有計算結(jié)果均采用網(wǎng)格194×142×32。

表2　數(shù)值結(jié)果網(wǎng)格獨立性考核Table 2　Grid independence test

4　結(jié)果分析

4.1縱向渦干涉對流場的影響

為分析不同渦產(chǎn)生器橫向間距時縱向渦的發(fā)展、變化及干涉情況，在通道內(nèi)沿流動方向選取圖5中所示8個橫截面s1～s8，橫截面位置分別為x/L=0.29，0.37，0.45，0.53，0.60，0.68，0.84，0.99。渦產(chǎn)生器橫向間距為c2，c4和c6，Re=1800時所選取橫截面上的縱向渦如圖6～圖8所示。

在渦產(chǎn)生器間距為c2時，不同橫截面上縱向渦如圖6所示。VG1產(chǎn)生的縱向渦在s1橫截面上強(qiáng)度最大。縱向渦的強(qiáng)度從s1截面到s2截面變化明顯，從s2截面開始，隨著縱向渦向下游傳遞，縱向渦的強(qiáng)度逐漸減弱。同樣VG2產(chǎn)生的縱向渦在VG2后第一個橫截面s3上強(qiáng)度最大，從s4截面開始，縱向渦的強(qiáng)度逐漸減弱。由于縱向渦之間的間距較大，VG1產(chǎn)生的縱向渦在向下游傳遞過程中，與VG2產(chǎn)生的縱向渦之間的相互干涉較小?？v向渦之間的流體在旋轉(zhuǎn)方向相反的縱向渦的誘導(dǎo)下，向上離開翅片表面，形成背壁型流場。隨著縱向渦向下游發(fā)展，縱向渦之間的間距在背壁型流場的影響下略有減小，且兩個縱向渦被逐漸抬升離開下翅片表面。由于在同一橫截面上VG1對應(yīng)的縱向渦較弱，因此VG1對應(yīng)的縱向渦被抬升的現(xiàn)象更明顯。

圖5　橫截面示意圖Fig.5　Cross-sections

圖6　渦產(chǎn)生器間距為c2時不同橫截面上速度分布Fig.6　Velocity vectors on cross sections for c2

圖7　渦產(chǎn)生器間距為c4時不同橫截面上速度分布Fig.7　Velocity vectors on cross sections for c4

在渦產(chǎn)生器間距為c4時，橫截面上縱向渦如圖7所示。與圖6相比，VG1產(chǎn)生的縱向渦在s1和s2截面上變化不明顯。但在VG2之后截面上，由于VG1和VG2產(chǎn)生的縱向渦幾乎重疊，兩個旋轉(zhuǎn)方向相反的縱向渦之間發(fā)生了嚴(yán)重的干涉現(xiàn)象，干涉后兩個縱向渦的強(qiáng)度都明顯減弱。VG2產(chǎn)生的縱向渦的衰減程度明顯要小于VG1產(chǎn)生的縱向渦的衰減程度，VG1產(chǎn)生的縱向渦在s8橫截面上已非常微弱。在縱向渦間干涉的影響下，VG1產(chǎn)生的縱向渦從s3橫截面開始，即被VG2產(chǎn)生的強(qiáng)度較大的縱向渦抬升離開通道下翅片表面而靠近上翅片表面。

圖8　渦產(chǎn)生器間距為c6時不同橫截面上速度分布Fig.8　Velocity vectors on cross sections for c6

圖9　不同間距下縱向渦干涉對ΔSes的影響Fig.9　Effect of interaction of vortices on ΔSesfor different values of c

在渦產(chǎn)生器間距為c6時，橫截面上縱向渦如圖8所示。與圖6和圖7中縱向渦相比，由于在s1和 s2橫截面上不存在縱向渦干涉，VG1產(chǎn)生的縱向渦基本沒有變化。但在VG2之后橫截面上，流場結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯變化。與渦產(chǎn)生器間距為c2和c4時縱向渦間形成背壁型流場不同，縱向渦間流體在旋轉(zhuǎn)方向相反的兩個縱向渦的誘導(dǎo)下流向下翅片表面，形成向壁型流場結(jié)構(gòu)。由于縱向渦間的間距增大，縱向渦間的干涉減小，干涉后橫截面上縱向渦的強(qiáng)度明顯大于圖7中橫截面上縱向渦的強(qiáng)度。隨著縱向渦向下游傳遞，縱向渦間距緩慢增大，縱向渦強(qiáng)度逐漸減弱，而縱向渦間的干涉也逐漸減小。在縱向渦向下游發(fā)展過程中，縱向渦間形成的向壁型流場使得縱向渦始終處于靠近下翅片表面位置，并未出現(xiàn)圖6中縱向渦被抬升離開下翅片表面的現(xiàn)象。

4.2縱向渦干涉對DSes的影響

通道內(nèi)設(shè)置渦產(chǎn)生器后，渦產(chǎn)生器產(chǎn)生的縱向渦使得通道內(nèi)縱向渦的強(qiáng)度明顯增大，而縱向渦間的干涉影響縱向渦的強(qiáng)度變化。以平直翅片通道內(nèi)縱向渦強(qiáng)度為基準(zhǔn)，圖9中示出了在不同渦產(chǎn)生器間距下，橫截面平均縱向渦強(qiáng)度增量ΔSes沿流向的變化。在不同渦產(chǎn)生器間距下，VG1處產(chǎn)生的縱向渦基本不受渦產(chǎn)生器間距的影響，ΔSes曲線第1個峰值基本相同。從計算區(qū)域入口到VG1之間不存在縱向渦間的干涉，因此ΔSes基本不變。VG1和VG2之間區(qū)域，即ΔSes曲線兩個峰值之間最小值區(qū)域，在VG2的影響下，橫截面平均縱向渦強(qiáng)度ΔSes略有差別。在渦產(chǎn)生器間距從c1到c2變化時，縱向渦之間的間距減小，VG1產(chǎn)生的角渦與VG2產(chǎn)生的角渦逐漸靠近并發(fā)生干涉。但由于主渦之間的間距仍然比較大，而角渦的強(qiáng)度較弱，因此縱向渦干涉的影響不大。因此，渦產(chǎn)生器間距從c1變化到c2時，ΔSes略有減小但差別不大。當(dāng)渦產(chǎn)生器間距等于c3時，縱向渦間間距進(jìn)一步減小，VG1和VG2產(chǎn)生的主渦之間發(fā)生了明顯的干涉，使得橫截面平均縱向渦強(qiáng)度明顯減小。而當(dāng)渦產(chǎn)生器間距為c4時，兩個縱向渦重疊，縱向渦之間發(fā)生了嚴(yán)重的干涉，干涉后縱向渦的強(qiáng)度迅速衰減。從VG2前端開始，ΔSes在c4時達(dá)到最小值。c5時，縱向渦間距增大，縱向渦之間的干涉減弱，橫截面上縱向渦的強(qiáng)度又開始增大，橫截面縱向渦強(qiáng)度在VG2到計算區(qū)域出口范圍內(nèi)明顯比c4時大。當(dāng)渦產(chǎn)生器間距繼續(xù)增大時，縱向渦之間的干涉減弱，ΔSes繼續(xù)增大。當(dāng)渦產(chǎn)生器間距增大到一定程度后，縱向渦之間的干涉變得非常微弱，干涉對縱向渦強(qiáng)度的影響變得非常小。在渦產(chǎn)生器間距為c6，c7和c8時，ΔSes間差別非常小。圖10縱向渦干涉對ΔNus的影響

Fig.10Effect of interaction of vortices on ΔNusfor different values of c

4.3縱向渦干涉對ΔNus的影響

縱向渦間干涉對ΔNus的影響如圖10所示。在通道入口到VG1之間，ΔNus基本為零。在VG1產(chǎn)生的縱向渦的影響下，ΔNus在VG1前端逐漸增大并在VG1后端達(dá)到峰值，隨后隨著縱向渦的衰減而逐漸減小。ΔNus在VG2產(chǎn)生的縱向渦的影響下又迅速增大并在VG2后達(dá)到最大值。在計算區(qū)域入口到VG2之間，由于不存在縱向渦間的干涉，在不同渦產(chǎn)生器間距下ΔNus基本相等。從VG2處開始，通道內(nèi)同時存在兩個旋轉(zhuǎn)方向相反的縱向渦，受縱向渦間干涉的影響，ΔNus發(fā)生明顯變化。在渦產(chǎn)生器間距較大(c1,c7,c8)時，縱向渦之間的干涉較小，縱向渦干涉對縱向渦強(qiáng)化傳熱的影響不大，ΔNus差別相對較小。隨著渦產(chǎn)生器間距減小，縱向渦之間的干涉逐漸增強(qiáng)，干涉對ΔNus的影響較大。在渦產(chǎn)生器間距c4時，VG1產(chǎn)生的縱向渦與VG2產(chǎn)生的縱向渦發(fā)生嚴(yán)重干涉，干涉后縱向渦強(qiáng)度達(dá)到最小，ΔNus也取得最小值。在渦產(chǎn)生器間距為c5和c6時，由于縱向渦間形成向壁型流場結(jié)構(gòu)，VG2處ΔNus值相對較大，且在c5時具有最大值。c5時縱向渦間的間距較小，縱向渦間的干涉比c6時縱向渦間的干涉程度大，由于縱向渦衰減和縱向渦間干涉的影響，ΔNus在達(dá)到峰值后迅速下降。在VG2后，c6時ΔNus數(shù)值較大而c5時ΔNus數(shù)值相對較小。在渦產(chǎn)生器間距為c4，Re=1800時，縱向渦干涉使得ΔNus最大減小約60%。

圖11　縱向渦干涉對ΔSe、ΔNu和Δf的影響Fig.11　Effect of interaction of vortices on ΔSe，ΔNu and Δf

4.4縱向渦干涉對DSe、DNu和Df的影響

渦產(chǎn)生器間距變化時，縱向渦干涉對ΔSe、ΔNu 及Δf的影響如圖11所示。在Re較小時，縱向渦的強(qiáng)度較弱，縱向渦之間的干涉也非常小。因此在Re較小時，不同渦產(chǎn)生器間距下的ΔSe基本相同。隨著Re的不斷增大，通道內(nèi)縱向渦的強(qiáng)度也在不斷增大，而縱向渦之間的干涉也隨之增強(qiáng)，ΔSe之間的差別也逐漸增大。在c4時，通道內(nèi)縱向渦干涉最大，ΔSe最小。Re=1800時，ΔSe最大衰減約45%。c3和c5時ΔSe基本相同，與c4時相比，ΔSe間的差別很大。在渦產(chǎn)生器間距繼續(xù)增大時，縱向渦之間的干涉變得較弱，ΔSe隨著渦產(chǎn)生器間距的增大而增大但差別很小。

縱向渦間相互干涉對ΔNu的影響與對ΔSe的影響規(guī)律相似。ΔNu隨著Re的增大而增大，不同渦產(chǎn)生器間距下，縱向渦干涉引起的ΔNu間的差別也逐漸增大。在Re=1800時，c4時縱向渦干涉最嚴(yán)重，ΔNu最小值約為0.583，而c6時ΔNu最大值約1.165，ΔNu最大值約是最小值的2倍。c4時Δf的值也是最小，而c5時Δf的值最大。在渦產(chǎn)生器間距為其他值時，Δf間的差別不大。在Re=1800時，縱向渦干涉使得Δf最大值比最小值大約38%。

選取渦產(chǎn)生器間距為c1時的ΔSe，ΔNu，Δf的值作為參考值，不同渦產(chǎn)生器間距下ΔSe，ΔNu和Δf的值與參考值的比值ΔSe/ΔSeref、ΔNu/ΔNuref和Δf/Δfref可以反映縱向渦干涉對這些量的影響程度。如圖12所示，在渦產(chǎn)生器間距較小時(c3，c4和c5)，縱向渦間干涉明顯，ΔSe/ΔSeref、ΔNu/ΔNuref的變化相對較大。ΔSe/ΔSeref和ΔNu/ΔNuref均在渦產(chǎn)生器間距為c4時具有最小值，與參考值相比ΔSe減小了約40%，ΔNu減小了約45%。在不同渦產(chǎn)生器間距下，ΔSe/ΔSeref隨著縱向渦干涉的增強(qiáng)而減小，但ΔNu/ΔNuref在渦產(chǎn)生器間距為c2和c6時具有最大峰值。這主要是因為在渦產(chǎn)生器間距為c2和c6時，雖然縱向渦間干涉后縱向渦強(qiáng)度減小，但縱向渦干涉后形成的背壁型和向壁型流場有助于強(qiáng)化傳熱。從表1可知，在渦產(chǎn)生器間距為c2和c6時，渦產(chǎn)生器橫向間距均為渦產(chǎn)生器底邊橫向投影長度的2倍。

圖12　縱向渦干涉對ΔSe/ΔSeref、ΔNu/ΔNuref和Δf/Δfref的影響Fig.12　Effect of interaction of vortices on ΔSe/ΔSeref，

縱向渦干涉對Δf/Δfref的影響僅在渦產(chǎn)生器間距為c4時比較明顯且取得最小值，與參考值相比，Δf減小約25%。

5　結(jié)　論

本文研究了通道中兩個旋轉(zhuǎn)方向相反的縱向渦在不同橫向間距下的干涉現(xiàn)象，分析了縱向渦干涉對流場、縱向渦強(qiáng)度、縱向渦強(qiáng)化換熱以及阻力的影響。主要結(jié)論如下。

（1）在兩個縱向渦間形成背壁型流場結(jié)構(gòu)時，在縱向渦的相互誘導(dǎo)下，兩個縱向渦逐漸離開翅片表面；同時，隨著縱向渦向下游發(fā)展，縱向渦間相互靠近，距離逐漸減小。

（2）在兩個縱向渦間形成向壁型流場結(jié)構(gòu)時，在縱向渦的相互誘導(dǎo)下，兩個縱向渦可以保持在靠近翅片表面的位置，縱向渦間的距離隨著縱向渦的發(fā)展逐漸增大。

（3）旋轉(zhuǎn)方向相反縱向渦之間的干涉隨著渦產(chǎn)生器間距的減小而增大，干涉后縱向渦的強(qiáng)度減小，在c4時即渦產(chǎn)生器橫向間距為零時，縱向渦干涉程度最大，ΔSe、ΔNu和Δf均為最小。

（4）縱向渦干涉后的強(qiáng)化傳熱效果不僅與縱向渦強(qiáng)度有關(guān)，還與縱向渦干涉后的流場結(jié)構(gòu)有關(guān)。c2和c6時，即渦產(chǎn)生器橫向間距為渦產(chǎn)生器底邊橫向投影長度的2倍時，縱向渦間干涉后形成的背壁型和向壁型流場都有利于翅片傳熱，縱向渦的強(qiáng)化傳熱性能最好。

符號說明

A——橫截面積，m2

A(x)——坐標(biāo)x處橫截面積，m2

c——渦產(chǎn)生器橫向間距，m

cp——比定壓熱容，J·kg-1·K-1

D——渦產(chǎn)生器與入口間的距離，m

dh——定型尺寸，m

f——阻力系數(shù)

H——渦產(chǎn)生器高度，m

L——計算區(qū)域長度，m

Lc——橫截面濕周長度，m

Nu——Nusselt數(shù)

n——法線方向

p——壓力，Pa

Re——Reynolds數(shù)

S ——換熱面積，m2

Se ——二次流強(qiáng)度

T ——溫度，K

tp——翅片間距離，m

Us——二次流特征速度，m·s-1

u，v，w ——速度分量，m·s-1

um——橫截面平均速度，m·s-1

x，y，z ——直角坐標(biāo)軸

q ——渦產(chǎn)生器攻擊角，(°)

λ ——熱導(dǎo)率，W·m-1·K-1

ρ ——密度，kg·m-3

μ ——動力黏度，kg·m-1·s-1

ω ——渦量，s-1

下角標(biāo)

in ——進(jìn)口

local ——局部值

out ——出口

s ——橫截面平均值

w ——固體壁面

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Interaction characteristics between longitudinal vortices with counter-rotating directions in heat exchanger channel

SONG Kewei，LIU Song，WANG Liangbi
(Key Laboratory of Railway Vehicle Thermal Engineering of Ministry of Education，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou 730070，Gansu，China)

Abstract:Longitudinal vortices can enhance heat transfer with small pressure loss penalty and has been widely applied in heat transfer enhancement of tube bank fin heat exchangers. Setting winglet vortex generator (VG) that can generate longitudinal vortices on the fin surface is a promising technique to enhance the airside heat transfer. In order to obtain better heat transfer performance，lots of VGs are punched out of the fin surface，so several longitudinal vortices appear in the flow channel. The interaction of vortices affects the intensity of longitudinal vortices and their effect on heat transfer enhancement. In this paper，the interaction of counter rotating longitudinal vortices generated by winglet VGs is quantitatively analyzed under different transversal distances between VGs. The effects of interaction of vortices on the intensity of vortices，flow field structure and heat transfer are discussed in detail by using the longitudinal vortex intensity parameter Se. The results show that the interaction of counter rotating longitudinal vortices increases with the decrease of transversal distance between VGs. When the distance between VGs is zero，the interaction between counter rotating vortices is the most serious，while the values of ΔSe，ΔNu and Δf get the minimum values. The maximum decreasing percentage of ΔSe，ΔNu and Δf are45%，50% and 38%，respectively. The interaction between counter rotating vortices does not necessarily decrease the heat transfer of longitudinal vortices. The heat transfer performance depends on not only the intensity of vortices but also their structure. The common flow region formed between counter rotating longitudinal vortices is beneficial for heat transfer enhancement. Due to the interactions of counter rotating longitudinal vortices and their effect on heat transfer enhancement，an optimum arrangement of VGs exists for better heat transfer performance. The best heat transfer performance can be obtained when the transversal distance between the VGs is twice the projected length of the base of VGs.

Key words:longitudinal vortex; intensity; interaction; convective; heat transfer; numerical analysis

DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20150618

中圖分類號：TK 121

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：0438—1157（2016）04—1233—11

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(51366008，51376086)；甘肅省杰出青年基金項目(145RJDA324)。

Corresponding author:WANG Liangbi，lbwang@mail.lzjtu.cn