戴玉龍，王翠華

(1.遼寧軌道交通職業(yè)學(xué)院，遼寧 沈陽 110023； 2.沈陽化工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110142)

縱向渦發(fā)生器是一種理想的強(qiáng)化傳熱元件[1]，它通過對(duì)流體產(chǎn)生擾流作用，致使流體流過縱向渦發(fā)生器后產(chǎn)生一系列大小不一的縱向渦，縱向渦向下游的流動(dòng)，加速了主流流體與近壁面邊界層之間的物質(zhì)和能量交換，同時(shí)減薄邊界層厚度，達(dá)到強(qiáng)化傳熱效果。縱向渦發(fā)生器類型很多，常分為柱型和翼型，經(jīng)過前人的研究，發(fā)現(xiàn)翼型的傳熱效果優(yōu)于柱型。而在分析以上翼型渦發(fā)生器強(qiáng)化矩形螺旋通道的傳熱效果時(shí)，張麗等[2]認(rèn)為三角對(duì)翼渦發(fā)生器的綜合性能最優(yōu)。本文在螺旋板式換熱器定距柱的兩側(cè)安裝三角對(duì)翼，可實(shí)現(xiàn)翼形和柱形渦發(fā)生器復(fù)合共同強(qiáng)化矩形螺旋通道的傳熱。

在對(duì)諸如螺旋板式換熱器此類螺旋通道復(fù)合強(qiáng)化傳熱的研究工作中，張亞龍等[3-4]以單個(gè)三角翼和橢圓柱交叉布置組成單元化區(qū)域，分析了該組合渦發(fā)生器強(qiáng)化矩形曲面通道傳熱的效果。王翠華等[5]采用CFD模擬的方法分析了三角對(duì)翼和柱形翼組合強(qiáng)化矩形螺旋通道傳熱時(shí)流體流動(dòng)和換熱的相關(guān)性能，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)化效果明顯。本文在文獻(xiàn)[5]的基礎(chǔ)上，改變?nèi)菍?duì)翼與圓柱的組合方式，分析研究該組合方式下強(qiáng)化矩形螺旋通道流體傳熱的效果。

1 數(shù)值模擬方法

本文采用Gambit軟件建立螺旋流道的三維物理模型。為減少數(shù)值計(jì)算的計(jì)算量，保證計(jì)算精度，本文考慮流體通道的近似性及通道截面的對(duì)稱性，將流體通道模型簡(jiǎn)化為圖1用于計(jì)算。模型中螺旋通道曲率半徑用Rc表示，矩形截面高度為a=80 mm，寬度b=10 mm，定矩柱直徑d=10 mm，按正三角形布置，排列尺寸為80×80 mm；三角翼為直角三角形，其厚度1 mm，固定于內(nèi)壁上的直角邊長(zhǎng)度為l=10 mm，三角翼后端間距δ=3 mm，攻角和高度分別用α和hi表示。螺旋流道的無量綱曲率為κ=b/Rc，其它無量綱高度hi′ =hi/b。流體介質(zhì)以速度u自入口(左)進(jìn)入，從出口(右)流出。共計(jì)算了7個(gè)模型，其參數(shù)值如表1所示。

圖1 簡(jiǎn)化的物理模型

Fig.1 Simplified physical model

應(yīng)用Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，具體的網(wǎng)格劃分、無關(guān)性檢驗(yàn)、模擬方法、數(shù)據(jù)處理和模擬結(jié)果驗(yàn)證見文獻(xiàn)[5]。

表1 結(jié)構(gòu)參數(shù)值Table.1 The values of the structural parameters

2 模擬結(jié)果及分析

本文主要從攻角α、高度hi＇兩個(gè)方面研究三角翼和柱形組合渦發(fā)生器的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)矩形螺旋流道強(qiáng)化換熱效果的影響，其研究范圍為3000≤Re≤24000。

2.1 攻角α對(duì)流動(dòng)換熱的影響

圖2給出了模型1至5的平均Nu數(shù)和阻力系數(shù)f隨Re的變化情況。由圖可見，相同Re下，內(nèi)置組合渦發(fā)生器的螺旋流道的平均Nu數(shù)和阻力系數(shù)f均高于只有柱的情形，說明組合渦發(fā)生器能明顯強(qiáng)化螺旋通道傳熱，但流道阻力也明顯增大。隨α增大，其Nu值和f也逐漸增大。

圖2 不同攻角α 時(shí)Nu數(shù)和f比較Fig.2 Comparison of Nu and f for different vortex generators

圖3和圖4給出了Re=7200時(shí)模型1、2曲面俯視圖上的速度大小、流線分布及柱后同一橫截面上的二次流矢量圖。由圖可見，定距柱對(duì)來流有一定的擾動(dòng)，但來流沿柱分離會(huì)形成橫向渦，使得流體在柱后尾跡區(qū)獨(dú)自旋轉(zhuǎn)，幾乎不與主流區(qū)域進(jìn)行質(zhì)量交換，造成柱后尾跡區(qū)面積大，流速小，混合換熱效果差；三角對(duì)翼對(duì)柱后流體繼續(xù)產(chǎn)生擾動(dòng)，形成縱向渦，有效減小柱后低速區(qū)的范圍，促進(jìn)了尾跡區(qū)與主流流體間的熱質(zhì)交換，同時(shí)也增大了流體流動(dòng)的阻力損失。觀察柱后同一橫截面(θ=10°)上的二次流分布情況，發(fā)現(xiàn)僅布置擾流柱時(shí)，柱擾動(dòng)對(duì)該截面上二次流的影響范圍和強(qiáng)度均較小，螺旋通道橫截面中心呈現(xiàn)典型的兩渦結(jié)構(gòu)，截面兩側(cè)的二次流很弱。內(nèi)置組合渦發(fā)生器時(shí)，橫截面兩端出現(xiàn)了兩個(gè)新的二次渦，并將經(jīng)典二次渦向中心擠壓，整個(gè)橫截面上二次流程度得到加強(qiáng)。綜合以上分析可知，組合渦改變了流體軸向流和二次流的流動(dòng)結(jié)構(gòu)，減薄了換熱壁面處的邊界層，強(qiáng)化了傳熱。

圖3 不同渦發(fā)生器時(shí)流體軸向速度及流線圖Fig.3 The contours of the axial velocity and streamlined diagram for different vortex generators

圖5 不同攻角下綜合性能因子G比較Fig.5 The comparative values of G for different attack angles

為綜合分析三角對(duì)翼攻角對(duì)螺旋通道換熱和阻力綜合性能的影響，圖5給出了不同攻角下綜合性能因子G隨Re的變化情況?？梢钥闯?，隨著Re的增加，螺旋流道綜合性能G先減小后趨于不變，說明組合渦發(fā)生器的強(qiáng)化換熱能力在Re數(shù)較低時(shí)好。當(dāng)Re大于10000后，在研究的攻角范圍內(nèi)，α=30°時(shí)綜合因子G最大，建議三角翼和柱組合按本文布置時(shí)，三角對(duì)翼攻角選擇30°左右。

2.2 l＇的對(duì)流動(dòng)換熱的影響

圖6、圖7 分別給出了不同高度hi＇下螺旋流道平均Nu數(shù)、阻力系數(shù)f和綜合性能因子G隨Re的變化情況。由圖6可見，在同一Re下，螺旋通道的平均Nu和阻力系數(shù)f均隨三角翼高度hi＇的增加而增大，而圖7中的綜合性能因子G卻隨高度hi＇的增加而減小。這說明三角翼高度hi＇增大雖然能增強(qiáng)柱后流體的擾動(dòng)，起到強(qiáng)化傳熱的作用，但也同時(shí)產(chǎn)生了更大的流動(dòng)阻力損失，使得綜合性能變差，所以在選擇三角翼高度時(shí)應(yīng)綜合考慮強(qiáng)化傳熱和增大流阻所產(chǎn)生的綜合效益。

圖6 不同hi＇下Nu數(shù)和f比較

Fig.6 Comparison ofNuandffor differenthi＇

圖7 不同底端長(zhǎng)度hi＇下Nu、f相對(duì)值和G值

Fig.7 The comparative values ofGfor differenthi＇

3 結(jié)論

(1)三角對(duì)翼和定距柱復(fù)合按“下降流型”布置，可在定距柱后形成縱向渦，并復(fù)合離心力的作用，改變矩形螺旋通道橫截面上二次流的結(jié)構(gòu)，形成四渦結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化了傳熱，故內(nèi)置組合渦發(fā)生器的螺旋流道的平均Nu數(shù)明顯高于只有柱時(shí)的值。

(2)三角對(duì)翼的攻角α增大，內(nèi)置組合渦發(fā)生器流道的平均Nu值和f也逐漸增大，而綜合因子G的值先減小后趨于不變；在本文研究范圍內(nèi)，α=30°時(shí)綜合因子最大，建議三角翼和柱組合按本文布置時(shí)，對(duì)翼攻角取30°左右。

(3)在本文的研究范圍內(nèi)，相同Re時(shí)，螺旋通道的Nu隨三角翼高度hi＇的增加而增大，綜合因子G隨hi＇的增加而減小。因此，在采用三角對(duì)翼和圓柱組合強(qiáng)化矩形螺旋通道換熱時(shí)，應(yīng)考慮hi＇增加給企業(yè)帶來的換熱效率提高及阻力損失增大兩方面的綜合效益。