涡量强度强化传热机理数值模拟

刘春节，闵春华，齐承英，王丹，田丽亭，王进

（1.常州工学院机电工程学院，江苏常州 213002；2.河北工业大学能源与环境工程学院，天津 300401）

涡量强度强化传热机理数值模拟

刘春节1，闵春华2，齐承英2，王丹2，田丽亭2，王进2

（1.常州工学院机电工程学院，江苏常州 213002；2.河北工业大学能源与环境工程学院，天津 300401）

采用数值模拟的方法，研究了矩形通道布置矩形翼纵向涡发生器后二次流强度和涡量强度在流动方向上的变化规律，分析了涡量强度对强化换热和阻力增加的贡献．结果表明：涡量强度JABS在整个通道内的变化规律与局部Nu相同，即通道入口的局部Nu较大．受纵向涡发生器的影响，局部Nu出现一极值后逐渐减小；与二次流强度JAxBS相比，涡量强度JABS更能反映流动与换热之间的关系；得到了Nu和f的增加量与无量纲涡量强度之间的关系．

纵向涡发生器；涡量强度；强化传热；数值模拟

0 引言

通道中的二次流是一种常见的流动现象，是发生在垂直于主流方向上的一种伴随流动[1]．这种伴随运动的强度通常比主流运动小得多，但是它在工程运用中的作用却不容忽视．研究表明，二次流在强化传热传质、血液动力学、化工工程、环境除污工程等传输过程有明显的强化作用[2]．通道内布置涡发生器后会形成二次流，纵向涡的大小、位置以及发生频率会造成流体速度偏转以及流场压力畸变，详细了解流场二次流强化换热机理就有可能通过调整区段的几何形状或其它参数来控制二次流，使之达到较好的工作状态[3]．

为了分析二次流的强化传热机理，文献[4-5]中一种典型的处理方法是分析二次流的强度与换热之间的关系．实际上，二次流只是纵向涡发生器诱导产生的涡量的1个分量，在强化换热机理研究中，另2个方向往往被忽略．本文就是同时考虑到3个方向涡量，研究强化换热机理．

1 物理模型及相关参数

1.1 物理模型

物理模型如图1所示．矩形通道的长度(L)为300mm、宽度(W)为80mm、高度（H）为20 mm，矩形翼长（l）为20 mm，矩形翼的宽度（w）为5.5 mm，矩形翼的攻角（）为30°，矩形翼前端到通道入口的距离（S）为20mm，对称位置的两个矩形翼最短距离s为10mm．模拟的Re为4000、6 000、8000、10000和12000，考虑到模型的对称性，取模型的一半进行模拟．

1.2 计算方法及边界条件

图1 物理模型Fig.1Physicalmodel

通道内流体为湍流流动状态，介质为空气，物性参数设定为常数．控制方程采用稳态、三维离散格式，应用有限容积法离散控制方程，压力与速度的耦合采用SIMPLE算法．连续性方程、动量方程和能量方程均采用二阶迎风格式进行离散．采用Fluent软件进行计算．

边界条件设定为：入口速度与温度恒定，出口为出口边界边界条件，固体边界为无滑移边界条件，通道底面为加热面，给定为第二类边界条件，其他边界为绝热边界条件．

1.3 相关参数定义

2 模型验证

为验证模型与方法的可靠性，以光通道为研究对象，将模拟得到的Nu与理论公式进行比较，所选用于比较的公式为：Nu=0.023Re0.8Pr0.3[1+De/L0.7]．Re分别为4000和12000时，Nu的理论值分别为29.0和45.8，模拟得到的结果分别为29.1和43.2．可以看出，模拟结果与理论结果吻合较好，证明模型可靠．

图2 主流方向上局部努赛尔数NuFig.2Distributionof localNusseltnumberalong the main flow direction

3 结果分析

3.1 局部Nu分布

图2为沿着流动方向局部Nu的变化规律．可以看出，不同Re时，由于入口效应，通道入口段的Nu较大；Nu出现一极值后，Nu增加，这是受到矩形翼的作用，产生了纵向涡；之后，随着涡量强度逐渐减弱，Nu逐渐减小．后面从涡量强度分析纵向涡发生器的强化传热机理．

3.2 二次流强度和涡量强度的比较

图3和图4分别所示为不同Re数下，涡量强度JABS和二次流强度JAxBS沿主流方向的变化规律．可以看出，对于不同的Re，在入口段，JAxBS较小，这是因为入口段没有纵向涡发生器的作用．流体流过矩形翼后，产生了二次流，使JxABS突然增加，随后由于粘性耗散的作用，JAxBS逐渐减小．对于涡量强度，当Re较高时，入口段的JABS较大，且Re越大，JABS的入口效应越明显．这是因为受到固体壁面的作用，在固体壁面附近的速度梯度较大．之后的变化规律与JAxBS相同．比较JAxBS和JABS与Nu的变化规律，可以看出，JABS与Nu的变化规律比较一致，而JAxBS与Nu的变化规律在入口段的差别较大．这表明，JAxBS更能反映对流换热的强度，而文献中广泛使用的利用二次流强度表征对流换热强弱的做法有一定局限：二次流强度只能表征纵向涡发生器后的换热强度，而不能表征纵向涡发生器前面的换热强度．本文后面将讨论JABS对流动与换热的影响．

图3 主流方向涡量强度JABS的分布Fig.3Distribution ofvorticity intensity along themain flow direction

图4 主流方向二次流强度分布Fig.4 Distribution ofsecondary flow intensityalong themain flow direction

3.3 涡量强度对强化换热和阻力增加的贡献的分离

为分析涡量强度对换热的影响，将涡量强度对换热和阻力损失的贡献分离出来．与光通道相比，布置纵向涡发生器通道的Nu与阻力因子f的增加量的定义分别为：Nu=Nu Nu0，f=f f0，式中下角标“0”表示光通道．

4 结论

模拟了矩形通道布置矩形翼纵向涡发生器后二次流强度和涡量强度的分布规律，分析了涡量强度对强化换热和阻力增加的贡献的分离，得到如下主要结论：

1）通道入口的局部Nu较大，受纵向涡发生器的影响，局部Nu出现一极值后逐渐减小．

2）与二次流强度JAxBS相比，涡量强度JABS在整个通道内的变化规律与局部Nu比较一致，能反映流动与换热之间的关系．

[1]郭小勇，赵创要，王良璧，等．螺旋管中二次流强度的数值研究[J]．甘肃科学学报．2011，23（3）：87-92．

[2]GuptaR，Wanchoo RK，JafarA liTRM．Laminar flow in helical coils:aparametric study[J]．Ind Eng Chem Res,2011，50（2）：1150-1157．

[3]樊洪明，李先庭，何钟怡，等．方形截面弯管二次流数值模拟[J]．热能动力工程，2002，17（5）：510-513．

[4]Song KW，Wang LB．Theeffectivenessofsecondary flow produced by vortex generatorsmounted on both surfacesof the fin toenhanceheat transfer in a flattubebank fin heatexchanger[J]．ASMEJournalof Heat Transfer，2013，135（4）：041902．

[5]Wang LC，Su M，HuW L，Lin ZM，etal．The characteristic temperature in the definitionofheattransfer coefficienton the fin sidesurface in tube bank fin heatexchanger[J]．Numerical Heat Transfer,Part A:Applications，2011，60（10）：848-866．

[责任编辑 田丰]

Numericalsimulation forheat transferenhancementmechanism of vorticity intensity

LIU Chun-jie1，M INChun-hua2，QICheng-ying2，WANG Dan2，TIAN Li-ting2，WANG Jin2

(1.School of Mechanical and Electronic Engineering,Changzhou Institute of Technology,Jiangsu Changzhou 213002,China; 2.School of Energy and Environmental Engineering,HebeiUniversity of Technology,Tianjin 300401,China)

The secondary flow intensity and vorticity intensity distributionsalong the flow direction in a rectangular channelarranged w ith rectangular longitudinal vortex generatorsw ere numerically studied.The contribution of vorticity intensity on heat transfer enhancementand pressured drop isanalyzed.The resultshows that the distribution of vorticity intensity in thewhole channel issim ilar to thatof localNusseltnumber,i.e.the localNusseltnumber in the inletsection of thechannelis relatively higher,and then itdecreasesgraduallyafterapeak.Comparedw ith secondary flow intensity, vorticity intensity ismore suitable for revealing themechanism of theheattransferenhancementand fluid flow.The relationship of incrementsof Nusseltnumberand drag factorand the dimensionlessvorticity intensitywasobtained.

longitudinal vortex generator;vorticity intensity;heat transferenhancement;numericalsimulation

TK 124

A

1007-2373(2014)03-0065-04

2014-03-12

国家自然科学基金（51106041）

刘春节（1972-），男（汉族），副教授，博士．