矩形通道内八边形翼纵向涡发生器强化传热的试验研究

闵春华, 孔祥飞, 董江峰, 齐承英

(河北工业大学能源与环境工程学院,天津300401)

纵向涡发生器是一种有效的被动式强化传热方式.为进一步增强其传热特性和优化其在换热器中的应用,研究者进行了广泛的研究.Tian等[1]利用场协同原理分析了在不同布置方式下矩形翼和三角形翼通道内的流动与传热特性.Wu和Tao[2]的研究表明,纵向涡发生器的冲孔能改善传热性能,而厚度对传热性能的影响可以忽略.Didarul等[3]发现锯齿状排列的矩形翼的传热效果优于按同角度排列的情况.Wang等[4]将纵向涡发生器用于狭窄通道时,发现其能明显增强传热.Chompookham等[5]研究了楔形通道内布置三角肋和三角形翼纵向涡发生器时的流动与传热特性,发现两者组合时传热增强,流动阻力增加,且均大于单个作用时的情况.田丽亭等[6]将三角形纵向涡发生器用于强化波纹管翅片换热器的传热,发现传热增强的程度大于阻力增加的程度.Law son和Thole[7]研究了冲孔三角形翼的强化传热特性.最近,一种称为斜截椭圆柱的新型纵向涡发生器被证明具有较好的流动与传热特性[8].Zhou等[9]对布置有纵向涡发生器的通道内添加表面活性剂后,进行了流动减阻特性试验研究.

为进一步提高纵向涡发生器的传热特性,在矩形翼的基础上,提出一种八边形翼纵向涡发生器,通过试验比较了八边形翼和矩形翼纵向涡发生器的流动与传热特性.

1 试验装置

八边形翼是在矩形翼的基础上切掉4个角后得到的,如图1所示,其中,l为翼长,w为翼宽,c为八边形翼的切边长.本文所研究的矩形翼和八边形翼的具体尺寸见表1.其中,八边形翼A的长和宽分别与矩形翼的长和宽相等,八边形翼B和八边形翼C的面积均与矩形翼的面积相等.

图1 矩形翼和八边形翼的示意图Fig.1 Schematic diagram of the rectangular and octagonal w ing

表1 矩形翼和八边形翼的尺寸Tab.1 Geometrical sizes of various rectangu lar and octagonal wings mm

纵向涡发生器的布置方式见图2.纵向涡发生器垂直固定在上通道底部,翼片与来流呈一定的攻角α,试验中α的取值有5种 ：25°,35°,45°,55°和65°.纵向涡发生器到入口的距离d为40 mm,两翼之间的最小距离s为10 mm.

图2 纵向涡发生器的布置示意图Fig.2 A rrangement of longitudinal vortex generators

试验装置见图3,主要包括喇叭形入口、进口段、测试段、过渡段和引风机等.加热元件采用三明治结构,由两块铁板内夹电阻丝构成,在铁板表面再黏贴一层聚碳酸脂板.为避免光滑表面的反光作用对红外热像仪对温度记录的影响,对加热元件表面进行了加黑处理.加热板固定在通道中间,将通道分为上下相同的两层,对上下通道都能均匀加热.上下通道的进出口截面相同,可认为上下通道的压力损失相等.纵向涡发生器固定在上通道加热板上.测试段长 L=600 mm,宽 W=160mm,高 H=40mm.上通道顶壁用聚乙烯膜覆盖,以保证红外线能顺利透过.空气温度利用T型热电偶测量,空气流速利用热线风速仪测量.在上下通道进口各布置1根热电偶,出口各布置27根热电偶.标定后热电偶的误差为0.2 K,流速的误差为0.01 m/s.

图3 实验系统Fig.3 Schematic diagram of the experim ental system

2 数据处理

雷诺数Re的定义为：

式中：U up为上通道的入口风速;D e为通道进口截面的当量直径;ν为流体的运动黏度.

热流密度为：

式中：T out和T in分别为通道出口和进口温度;下标i表示上通道或下通道.

努塞尔数Nu的定义为：式中：λ为空气的导热系数;h为局部对流传热系数;T为加热面的局部温度,由红外热像仪测量获得;T b x为空气的截面平均温度.

假设T b x沿流动方向呈线性分布,则：

平均努塞尔数Nu m为：

摩擦因数 f为：

式中：Δp为压降;L为通道长度;ρ为空气密度.

由于上下通道(即布置有纵向涡发生器的通道和光通道)的几何尺寸相同,压降相等,因而可得到上下通道的阻力系数之比ζ为：

Re、Nu和ζ的不确定度分别为6.0%、5.3%和6.4%.

3 结果与分析

3.1 纵向涡发生器的强化传热特性分析

在Re相同的情况下,比较不同纵向涡发生器的传热特性,结果示于图4.由图4可以看出,纵向涡发生器的存在明显增强了传热.对于矩形翼,当攻角α=55°时,Num/Num0最大,与光通道相比,Num增大了46%～55%.对于3种八边形翼,Nu m/Nu m0均随着攻角的增大而增大.与光通道相比,当α=65°时,八边形翼A、B和C的Num分别增大了42%～59%、45%～94%和47%～69%.由此可见,八边形翼A的传热效果与矩形翼相当,而八边形翼B和C的传热效果明显优于矩形翼.

图5给出了4种纵向涡发生器的传热量比.由于上下通道的压力损失相等,故可认为是在压力损失相同的情况下,比较布置纵向涡发生器的通道和光通道的传热特性.由图5可以看出,在压力损失相同的情况下,传热量增加的程度低于N u m增大的程度.矩形翼的最佳攻角为45°,此时传热量提高了4.5%～9%.八边形翼A和B的最佳攻角均为55°,八边形翼C的最佳攻角为65°,3种八边形翼在最佳攻角时的传热量分别提高了9.5%～14%、4%～17%和11.5%～23%.这表明对于矩形翼和八边形翼,在压力损失相同的条件下得到的传热增强率小于在Re相同的条件下得到的传热增强率.这是因为纵向涡发生器的存在增大了阻力系数,在流动阻力相同的情况下减小了通道流速,因此与Re相同的情况相比传热增强率降低.

图 4 Nu m/N u m0与 Re的关系Fig.4 Nu m/Nu m0 vs.Re

3.2 纵向涡发生器的流动特性分析

不同纵向涡发生器的阻力特性示于图6.由图6可以看出,纵向涡发生器的存在使流动阻力增加.矩形翼和八边形翼A在攻角为55°时阻力系数比最大,且变化范围分别为1.82～2.3和1.65～1.89;八边形翼B和八边形翼C在攻角为65°时阻力系数比最大,且变化范围分别为2.03～2.74和1.69～1.9.八边形翼B的阻力系数稍大于矩形翼,八边形翼A和C的阻力系数均小于矩形翼.考虑到八边形翼A的传热性能与矩形翼相当,而八边形翼B和C的传热效果明显优于矩形翼,因此,本文提出的八边形翼具有良好的流动与传热综合特性.

图5 四种纵向涡发生器的传热量比Fig.5 Heat transfer rates of fou r different longitudinal vortex generato rs

图6 阻力系数比ζ与Re的关系Fig.6 ζvs.Re

3.3 纵向涡发生器的强化传热机理

为进一步分析矩形翼和八边形翼的强化传热机理,以矩形翼和八边形翼A为例分析加热板的局部Nu分布,结果示于图 7.由图 7可以看出,八边形翼A的Nu稍大于矩形翼,这正是八边形翼的传热强于矩形翼的主要原因.在不同纵向涡发生器后,Nu均呈波纹状分布,八边形翼A最远处波峰到中心线的距离大于矩形翼.在加热板中心,由于气流速度增大,传热增强,故Nu较大;在距离中心z=±40mm附近区域,由于纵向涡的作用,传热增强.分析 x=76 mm、x=82 mm和x=97mm处的 Nu分布可知,随着x的增加,中心线附近的Nu减小,而离中心线不远处的Nu增大,即随着x的增加,Nu增大的范围变大.造成这种现象的原因是：流体速度从中心线向两侧逐渐减小,而纵向涡形成后不断发展,影响范围逐渐加大.在x=106mm处,Nu最大,表明纵向涡在x=106mm处达到最强.

图 7 当 Re=12 500、α=45°时,局部 Nu的分布Fig.7 Distribution of local Nu at Re=12 500 and α=45°

在加热板表面布置纵向涡发生器后,流动产生旋涡,破坏了边界层的发展,使加热板中间温度局部降低,这正是传热强化的原因.八边形翼的局部Nu大于矩形翼,这是因为八边形翼的切角在壁面附近引起了强烈的旋涡.另外,矩形翼切除4个角后,对主流区域流体扰动的因素减少,使流动阻力减小.

4 结 论

(1)在Re相同时,纵向涡发生器能明显增强传热.在最佳攻角下,矩形翼、八边形翼A、八边形翼 B和八边形翼C的 Nu m分别增大46%～55%、42%～59%、45%～94%和47%～69%.

(2)矩形翼、八边形翼A、八边形翼B和八边形翼C在各自攻角下对应的最大阻力系数比分别为1.82～2.3、1.65～1.89、2.03～2.74和1.69～1.9.

(3)在阻力损失相同的条件下,各纵向涡发生器均能提高传热量,但传热增强率小于在Re相同时的传热增强率.

(4)与矩形翼相比,八边形翼因切除了4个角,对主流区域流体的扰动因素减少,而对壁面附近流体的扰动增强,因此使对流传热增强而阻力并未增加.

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