包雅媛，陶俊龍，謝緯安，喜冠南

（南通職業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇 南通 226007）

1 概述

1.1 背景

強化傳熱是20世紀60年代發(fā)展起來的一種改善傳熱性能的技術(shù)，目的是促進和適應(yīng)高熱流量傳熱，采用經(jīng)濟的設(shè)備傳輸特定的熱流量，或者采用最有效的冷卻方式保護高溫部件的安全運行[1]。目前，工程中常用增大流體間的擾流來強化傳熱。插入圓柱形擾流元件是其典型應(yīng)用，也是工業(yè)上較為常用的強化傳熱方法，它安裝簡單，易于更換，能增加傳熱速率，使溫度分布均勻，提高原有換熱性能，并廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域，比如在航空航天技術(shù)、大功率電子設(shè)備、熱能動力及化工、冶金等工業(yè)部門。因此，對插入圓柱形擾流元件強化傳熱問題的研究在工程實際中具有很重要的意義。

在強化傳熱元件的使用過程中，雖然獲得了較高的傳熱效率，但也增加了流體流動阻力，如何綜合考慮傳熱和阻力損失的強化傳熱性能評價指標，在增加最小的壓力下得到最大的傳熱效果，是一個值得深入研究的問題。目前，雖然已有了一定的研究成果，但對圓柱形擾流元件強化傳熱機理的研究尚不明確，因此，研究其強化傳熱問題具有很重要的理論與現(xiàn)實意義。

1.2 圓柱形擾流元件強化傳熱理論分析

根據(jù)傳熱方程式[2]，單位時間內(nèi)傳熱量φ=AKΔT，可見，強化傳熱的途徑有以下三種方式：增大傳熱面積（A），提高傳熱系數(shù)（K），提高平均溫差ΔT。

圓柱形擾流元件強化傳熱是典型的強化傳熱方法，通過提高傳熱系數(shù)增加傳熱量，它除了輸送傳熱介質(zhì)的功率消耗外，幾乎不再需要附加動力，就能達到強化傳熱的作用。

2 強化傳熱技術(shù)進展

插入擾流元件強化傳熱問題在理論和工程中具有重大的意義，國內(nèi)外許多學(xué)者圍繞圓柱形擾流元件強化傳熱問題展開了研究。大多數(shù)研究的是關(guān)于圓柱為擾流元件與其他擾流元件傳熱效果間的對比和分析影響圓柱形擾流元件傳熱效果的因素，研究的方法主要包括實驗?zāi)Ｐ秃蛿?shù)值模擬等。

2.1 數(shù)值模擬

隨著傳熱學(xué)理論的完善和計算機設(shè)備的不斷更新，計算機數(shù)值模擬技術(shù)得到了快速發(fā)展，擾流元件強化傳熱問題在數(shù)值模擬方面也取得了一定成就。

2.1.1 單圓柱強化傳熱問題

目前，圓柱作為傳統(tǒng)的擾流元件，經(jīng)常應(yīng)用于工程中，同時也成為了人們的研究對象。俞接成等[3]運用通用軟件Fluent層流模型和動態(tài)網(wǎng)格技術(shù)，對空氣低速繞流振動圓柱的對流換熱進行了研究，數(shù)值計算表明，在其計算范圍內(nèi)，圓柱振動可使換熱強化，最大可強化9倍，換熱的強化效果隨振幅和頻率的增大而增大，且在相同振動條件下，雷諾數(shù)越低，振動對換熱的強化效果越好。經(jīng)分析表明，圓柱振動強化換熱的原因在于速度場和溫度梯度場之間的協(xié)同程度得到了改善，從而使換熱得到強化。

宿艷彩和葛培琪[4]也運用Fluent軟件的動網(wǎng)格技術(shù)和UDF編程方法分別對來流速度和圓柱振動方向?qū)A柱對流換熱的影響做了分析，來流速度遠低于圓柱最大振動速度時，振動強化換熱效果明顯；隨著來流速度的增大，振動強化換熱效果降低，當(dāng)流速為圓柱最大振動速度的4倍時，圓柱傳熱效果僅增強1.2%；圓柱的振動方向?qū)娀瘬Q熱的影響不顯著，在其研究范圍內(nèi)，因圓柱振動方向?qū)е缕鋼Q熱性能的變化量在6%以內(nèi)。

此外，馬小晶等[5]雖也采用數(shù)值模擬方法進行研究，但將圓柱形擾流元件與其他擾流元件進行對比，當(dāng)空氣在管內(nèi)流動換熱時，對其插入的不同結(jié)構(gòu)擾流元件時的速度場和溫度場進行分析，研究不同尺寸和形狀擾流元件對換熱和流阻的影響。研究結(jié)果表明，圓管內(nèi)沿軸線插入擾流元件的平均換熱系數(shù)大于光滑圓管；對于插入圓柱形擾流元件，其直徑越大，對流換熱效果越好；對于不同形狀的擾流元件進行對比研究可看出，球形鏈式擾流元件增強換熱效果的能力最強，略大于橢球形鏈式，其次是圓柱式，而橢球式擾流元件增強換熱效果的能力最弱。

2.1.2 多圓柱強化傳熱問題

對于多排排列的圓柱群，由于上游柱對下游柱的整流作用，會使下游柱的傳熱效果不同于單個或單排圓柱。閆世峰等[6]通過對單排圓柱列與叉排圓柱列的流場、溫度場的特性進行了數(shù)值分析與比較，通過基于復(fù)合網(wǎng)格的計算方法，研究了不同排列方式下的流動與傳熱特性，計算結(jié)果表明，圓柱的排列方式對這兩種布置的流場的流動與傳熱特性將產(chǎn)生重要的影響，并且叉排圓柱列的傳熱效果要優(yōu)于單排圓柱列的傳熱效果。

圓柱排列結(jié)構(gòu)在影響流場的同時，對壁面換熱也具有重要影響。張麗等[7]也對叉排圓柱列進行了數(shù)值計算，在逐漸收縮的梯形通道內(nèi)，對圓柱叉排的流動換熱的規(guī)律和壓力損失進行分析，并與矩形通道進行比較。計算結(jié)果表明，梯形通道與矩形通道的端壁總平均換熱系數(shù)相差不大，但是梯形通道內(nèi)每排圓柱的平均換熱系數(shù)相差較大。

為了進一步改善擾流柱內(nèi)的換熱效率，很多學(xué)者開始尋找新的擾流柱形式，比如液滴形、鏈式、橢球式等，許多學(xué)者把他們與圓柱形擾流柱流動和傳熱特性做了對比。楊成鳳等[8]用數(shù)值計算的方法對具有水滴形叉排擾流柱陣列矩形通道內(nèi)的流動和換熱過程進行了數(shù)值模擬，并與具有相同截面積的圓柱形擾流柱進行了對比分析，發(fā)現(xiàn)水滴形擾流柱的阻力幾乎只有圓柱形擾流柱的一半，其強化換熱效果不及圓柱形擾流柱的換熱效果，但是水滴形擾流柱為實現(xiàn)高效低阻的冷卻方式提供了可能。

2.2 實驗研究

研究圓柱擾流強化傳熱對提高現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備長期運行的可靠性與安全性也具有特別重要的現(xiàn)實意義，實驗研究是準確認識強化傳熱的有效手段之一。

2.2.1 單圓柱強化傳熱問題

冷學(xué)禮等[9]對振動圓柱的傳熱特性做了研究，通過流體低流速橫向沖刷簡諧振動圓管進行實驗，結(jié)果表明流體繞流振動圓管時，在較低流速下即可獲得較好的傳熱效果，換熱的增強較少地依賴于流動雷諾數(shù)，更多地依賴于振動雷諾數(shù)，傳熱的效果還受振動過程中的振幅與頻率的影響，在低頻與低振幅的范圍內(nèi)，振幅越大，頻率越高，傳熱效果越好。同樣類似的研究還有許多，Saxena等[10]，姜波等[11]都對簡諧振動圓管的換熱特性進行了實驗研究，發(fā)現(xiàn)流體低速繞流振動圓管時，強化傳熱效果較好，并且換熱的強化隨振幅和頻率的增大而增大，與冷學(xué)禮的實驗結(jié)果吻合。

目前在許多換熱設(shè)備中都有用于強化換熱的各種結(jié)構(gòu)的擾流元件存在，國內(nèi)外學(xué)者將其與圓柱形擾流柱進行試驗對比研究。Li[12]通過實驗對橢圓形擾流柱的強化換熱效果和壓力損失進行了研究，并與具有相同周長的圓形擾流柱進行了比較，發(fā)現(xiàn)前者的換熱系數(shù)比后者有一定提高，且壓力損失僅為后者的44%～58%.

Uzol和Camci[13]通過實驗比較了圓形、標準橢圓和加長橢圓3種形狀不同、具有相同橫向尺寸擾流柱后部尾跡區(qū)的換熱特性和壓力損失特性，發(fā)現(xiàn)圓形擾流柱的傳熱系數(shù)比標準橢圓和加長橢圓的結(jié)果高出25%～30%，壓力損失系數(shù)卻高出100%～200%.

此外，Montepare和Ricci[14]用熱象儀拍攝了裝有單個圓形、方形、三角形和長菱形擾流柱的矩形通道恒熱流壁面的溫度場，進而分析了擾流柱形狀對換熱性能的影響。當(dāng)Re＜1 500，圓形擾流柱的換熱能力強于方形擾流柱的；當(dāng)Re＞1 500時，方形擾流柱的換熱能力得到了加強，優(yōu)于圓形擾流柱的。在所測雷諾數(shù)范圍內(nèi)，三角形擾流柱的換熱效果好于圓形擾流柱的；菱形擾流柱的換熱能力介于圓形擾流柱和三角形擾流柱之間。

在國內(nèi)，黃國聯(lián)[15]通過實驗和計算，詳細分析比較了圓柱形、圓柱竹節(jié)形、橢圓竹節(jié)形擾流柱的換熱特性，圓柱竹節(jié)形擾流柱的平均努塞爾特數(shù)比圓柱形擾流柱的高4%左右，橢圓竹節(jié)形擾流柱的平均努塞爾特數(shù)比圓柱形擾流柱的低10%左右，得出橢圓竹節(jié)形擾流柱具有高效低阻的良好綜合性能。

2.2.2 多圓柱強化傳熱問題

董素艷等[16]通過特設(shè)的矩形截面吸氣式風(fēng)洞為實驗裝置，在矩形通道內(nèi)放置了叉排的圓柱擾流柱排，對叉排圓柱擾流柱排換熱實驗段通道端面上的換熱系數(shù)進行了詳細測量，結(jié)果表明在擾流柱前的駐點附近和擾流柱后的尾跡區(qū)旋渦強湍流度高的區(qū)域，換熱強化作用非常明顯，在整個擾流柱排內(nèi)換熱強化系數(shù)平均在2.5以上，局部換熱強化系數(shù)可達4以上，擾流柱排對其下游換熱影響范圍很大，在下游6 d處仍有1.5左右。該結(jié)論對實際應(yīng)用具有一定的參考價值。吉洪湖等[17]對一個帶有叉排圓柱陣列的矩形通道在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的對流換熱進行了初步的實驗研究，實驗結(jié)果表明，在雷諾數(shù)的實驗范圍內(nèi)（12 000～45 000），在相同轉(zhuǎn)動數(shù)Ro下，Re越大，換熱系數(shù)增加得越多；旋轉(zhuǎn)不僅增加了通道后表面的換熱，也增加了前表面的換熱，且換熱隨Ro的增加而增加；由于通道內(nèi)叉排圓柱的影響，沿通道軸向換熱系數(shù)是單調(diào)增加的。

Ryosuke Matsumoto、Shinzo Kikkawa等[18]利用熱色液晶溫度圖譜顯示了裝有單個、單排、順排和叉排圓形擾流柱群的矩形通道恒熱流壁面局部對流換熱系數(shù)的分布。當(dāng)氣流橫掠單柱時，其尾跡區(qū)溫度比較低，柱前緣有一個“U”形局部對流換熱系數(shù)加強區(qū)。當(dāng)氣流橫掠一排擾流柱時，柱后尾跡區(qū)的局部對流換熱系數(shù)隨著擾流柱間距的減小而增強。對于順排擾流柱群，第一排和第二排柱周圍的壁面對流換熱系數(shù)加強區(qū)面積略小，但從第三排起，每個柱前緣出現(xiàn)了一個“U”形換熱加強區(qū)。當(dāng)擾流柱叉排時，由于氣流的湍流度大于順排的，其換熱性能也強于順排的。

3 強化傳熱技術(shù)研究方向展望

綜上所述，通過對國內(nèi)外文獻的分析總結(jié)可以看出，對圓柱擾流強化傳熱技術(shù)影響的研究主要采用綜合考慮傳熱和阻力損失的強化傳熱性能評價指標，基于最佳的強化傳熱效果應(yīng)當(dāng)以在最小的壓力增加下得到最大的傳熱效果為原則基礎(chǔ)，且最佳的強化傳熱效果與擾流柱形狀特征和結(jié)構(gòu)特征有著密切關(guān)系。但對其影響因素的研究大多是通過數(shù)值計算和實驗?zāi)M方法來研究的，對數(shù)學(xué)模型本身和模擬實驗條件而言也有其不足和局限性。

由文獻總結(jié)可以看出，目前，相關(guān)實驗研究和理論研究成果并未涉及圓柱擾流強化傳熱技術(shù)在不同工況下的對比性實驗研究，也未對其應(yīng)用領(lǐng)域進行深入的了解、調(diào)查和研究，有針對性地解決存在問題的方法，阻礙了在實踐中的推廣應(yīng)用。因此，對該方面問題進行深入實驗研究和系統(tǒng)的概述對于總結(jié)和完善當(dāng)前研究具有重要的意義。

4 小結(jié)

本文通過對已有資料進行總結(jié)得出，現(xiàn)有的圓柱擾流強化傳熱技術(shù)研究主要集中在數(shù)值計算和模擬實驗方法上，而對不同工況下的對比性實驗研究還相對較少，另外，對其應(yīng)用領(lǐng)域進行深入的了解、調(diào)查和研究，有針對性地解決存在問題的方法也很匱乏，未來的研究有向這方面發(fā)展的趨勢。