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涡产生器高度对换热器传热影响的仿真分析

作者:admin 来源: 日期:2021/1/5 23:55:57 人气:3

用数值方法分析了涡产生器高度对带分流器的曲面矩形涡产生器式翅片传热与流动的影响,为使用这类换热器的设计提供了理论依据研究表明,在翅片间距为2.4mm涡产生器高度为1.4mm1.7mm2.0mm和2.3mm时,在同一雷诺数Re下,涡发生器高度1.7mm时产生的二次流强度最大随着雷诺数Re的增大,努塞尔数Nu也不断增大,阻力系数f减小在同一雷诺数下,不同曲面矩形涡发生器高度时努塞尔数Nu相差不明显,阻力系数随着曲面矩形涡发生器高度的增大而增大二次流强度Se与努塞尔数Nu存在唯一对应的关系,二次流强度Se越大,努塞尔数Nu也越大,传热效果更好以强化因子为衡量标准优选,曲面矩形涡发生器高度1.7mm获得最佳的综合性能

管翅式换热器用在各行各业中,比如内燃机车、空调、航空航天、化工行业等对换热器的的换热性能和工作环境要求越来越高,节能减排显得更加重要,在诸多强化换热器的强化传热手段当中有一种是引入二次流,使得换热器通道内产生二次流,二次流通常比主流速度小一个数量级,但可以明显强化对流传热,又不会过多地引起流动机械能的耗散,二次流能够以较小的阻力损失来增强换热,从而可大大强化对流换热.在换热通道内布置涡发生器是产生二次流的一个重要手段胡万玲用数值方法研究了在圆管管翅式换热器肋侧通道加装涡产生器后的二次流强度及其强化传热特性,结果表明绝对涡通量nABS及其无量纲参数Se可以很好的量化带涡产生器的圆管管翅式换热器肋侧通道内的二次流强度

Kashyap等人研究了水平底板上矩形涡流发生器前后表面的形状改变的传热特性.Naik等人通过数值计算的方法研究了涡发生器位置对顺排圆管管翅管热器传热和阻力特性的影响,研究结果表明,位于管子上游的矩形涡发生器的马蹄涡和纵向涡的强度较高,而位于管子附近的矩形涡发生器的管后回流区较大.Lemenand等人利用涡度强度和Nusselt数研究单个涡度发生器下游的动量和热量传递.Nusselt数在涡发生器上方呈现一个峰值,并且在涡发生器后面下降很快,而涡强度则在远离涡发生器的下游持续存在,并且非常降低比较缓慢.Gong等和Lin等人数值研究了在圆管管翅式换热器管子后面尾涡区冲压矩形和三角翼涡发生器的流动和传热特性结果表明,曲面涡发生器不仅能有效地减小尾流区的尺寸,而且能产生二次流,以提高与尾流区接触的翅片表面的传热能力.Wu等人用实验研究结果验证了Lin等人的数值计算结果.最近的研究表明,在管子前滞止点附近的区域,如Su等人所述,机械能消耗过多原因是在管的前驻点附近流速过大如果流体以较低的流速通过管的前滞止点,预计会有较小的机械能在局部消散,从而降低局部压降损失考虑到这一点,分流器被布置在管前滞流的上游,以减少管周围的机械能耗散.Liu等人和Dang等人分别用实验研究了带分流器的三角翼和四边形涡发生器的传热与流动特性,研究表明,分流器能降低管翅式换热器机械能耗散,同时起到引流的作用,能更好的强化圆管换热器的换热能力

近年来有很多学者对涡发生器的几何参数对换热器的性能影响研究,胡昊等人实验研究涡发生器间距对翼型气动性能影响,以DU93??210风力机专用翼型为研究对象,采用风洞实验方法研究4组涡发生器(VGs)间距(=51319,H为VGs高度)对翼型气动性能的影响规律风洞实验结果发现:在洁净翼型失速攻角(°)之前,涡发生器对翼型的升力系数影响较小而对于阻力系数及升阻比,当间距S=5时会使翼型的阻力系数增加,其中S=5时阻力最多增加27%,升阻比降低19%.王成刚研究了纵向涡发生器攻角对翅片传热性能的影响,为了提高翅片式换热器的强化传热性能,对不同攻角的纵向涡发生器的翅片区域进行了研究,通过比较综合评价因子,攻角为45°的纵向涡翅片在雷诺数为2000~6000内,综合性能最好陈凯伦等人利用Workbench和Fluent软件,对存在偏移距离的曲面涡发生器翅片、矩形小翼涡发生器翅片以及存在偏移距离曲面涡发生器和开缝组合翅片三种翅片对换热器换热和流动特性的影响进行了数值研究

综合考虑曲面涡产生器及其它的参数变化对换热器综合性能的影响,论文数值研究了不同曲面矩形涡发生器高度对带分流器的曲面矩形涡发生器的换热器传热与流动特性的影响采用无量纲参数Se量化了管内的二次流强度,从而进一步分析翅片通道内的涡特性在此基础上分析曲面矩形涡发生器高度对翅片通道内的涡特性的影响以及这种涡特性与整体翅片传热特性的关系

物理模型

带分流器的矩形曲面涡产生器翅片换热器结构如图1所示,在管滞止点冲压椭球形分流器,在沿来流方向的每一个圆管管后布置了曲面矩形涡产生器当流体流经翅片时,管前的阻力较大,管前布置分流器可以实现分流流作用,减小机械能的耗散,同时,管后涡发生器诱导二次流的产生,并且抑制脱体的产生,从而使得圆管及翅片与流体间的换热性能得到改善

分流器与曲面矩形涡发生器的位置如图2所示.因为涡产生器是在翅片上冲压出来的,所以涡产生器的厚度等于翅片的厚度在图中,横向管间距S=25.3mm,纵向管间距S=22mm,圆管外径D=8.9mm,翅片间距T=2.4mm,管后曲面涡产生器所在圆弧直径为RVG=8.75mm,涡发生器的弧长l=8.9mm,描述曲面涡发生器周向位置的参数β=90°,椭球中心与圆管滞止点距离S=8.4mm,椭球形分流器长半轴a=3mm,短半轴b=2mm,椭球高c=1.5mm.涡发生器的垂直高度HVG=1.4mm1.7mm2.0mm2.3mm,本文中选取管子的材料为纯铜,在数值计算中可忽略管壁热阻,把管壁作为一个无壁厚、等温度梯度的物体

结论

论文通过数值方法分析了矩形涡发生器高度对带分流器的矩形涡发生器翅片换热器的传热特性、阻力特性及其二次流特性的影响,用强化因子JF综合评价了四种曲面矩形涡发生器高度对翅片综合性能论文结果可总结如下

)在相同的雷诺数Re下,曲面矩形涡发生器高度HVG=1.7mm时产生的二次流强度最大

)在同一雷诺数下,不同曲面矩形涡发生器高度的努塞尔数Nu相差不明显,阻力系数随着曲面矩形涡发生器高度的增大而增大

)二次流强度Se与努塞尔数Nu存在唯一对应的关系,说明在同一雷诺数下,二次流强度Se越大,努塞尔数Nu也越大,传热效果更好

)用强化因子JF衡量评价发现四种曲面矩形涡发生器高度中,涡发生器高度HVG=1.7mm时获得最佳的综合性能