三角小翼V形阵列换热特性实验研究

田丽亭 高永坤 王佳丽 闵春华 杨历

（河北工业大学能源与环境工程学院 天津 300401）

三角小翼V形阵列换热特性实验研究

田丽亭 高永坤 王佳丽 闵春华 杨历

（河北工业大学能源与环境工程学院 天津 300401）

在Re＝4800～10200范围内，实验研究了矩形通道内圆管侧后方两排三角小翼V形阵列布置的强化换热特性，比较了三角小翼V形阵列布置和单排大三角小翼布置的换热差异，研究了攻角、翼高和排列间距对换热的影响。结果表明：三角小翼V形阵列的Nu数比单排大三角小翼平均增加4.9%，且随着阵列中翼片前后排间距的增加，换热呈增强趋势。对于三角小翼V形阵列和单排大三角小翼，随着小翼攻角的增加，通道换热先增加后减小，最佳攻角均为α＝60°，随着小翼翼高的增加，通道换热单调增加。实验数据拟合得到了V形三角小翼阵列和单排大三角小翼的Nu数无量纲关联式，为管翅式换热器中三角小翼的布置提供了依据和参考。

管翅式换热器；强化传热；纵向涡；实验研究

管翅式换热器在工业生产和日常生活中广泛应用，如汽车工业、空调制冷、石油化工、航空航天等诸多领域。通常管外侧流过的工质为气体，在换热器总热阻中气体侧热阻占据70%～90%。在低耗、环保、能源高效利用的要求下，强化气体侧的换热显得更为重要。纵向涡强化传热技术是一种非常有效的无源强化传热技术［1］，其流动换热性能得到许多学者的研究。Tian L T等［2］和Wu J M等［3］对三角小翼和矩形小翼产生的纵向涡对矩形通道流动换热的影响进行了数值和实验研究，表明三角小翼的综合换热性能优于矩形小翼，且小翼攻角越大，换热性能越好。文献［4－6］对矩形通道内其他形式的纵向涡发生器（梯形翼、斜截圆柱体、斜截椭圆柱体、八边形翼等）的强化换热特性进行了实验研究。由于纵向涡扰动使换热增强的同时伴随的阻力增加较小的优点，纵向涡强化传热技术也越来越多应用于换热器翅片上，O′Brien J E等［7］实验研究发现，在换热管侧后方的平直翅片上布置三角小翼，在低雷诺数下，翅片换热增强2倍，在高雷诺数下，换热增加也接近50%。Torii K等［8］提出一种把三角小翼对称侧置于换热管旁边的布置方式，这种方式可有效推迟换热管表面边界层分离，并使换热管尾流覆盖面积减少。Joardar A等［9－10］对七排换热管的平直翅片圆管换热器进行了实验和数值研究，三角小翼侧置换热管的布置方式使换热器综合换热性能提高了32%。纵向涡发生器除应用于平直翅片圆管换热器中，文献［11－14］还研究了三角小翼在圆管波纹翅片、百叶窗翅片、扁平管波纹翅片以及螺旋板换热器中的应用。上述文献中纵向涡发生器都是强化了矩形通道内或管外翅片间通道的换热，Habchi C等［15］和车翠翠等［16］对圆管内安置梯形翼涡发生器进行了数值研究和PIV实验，结果表明翼片对流体的扰动大大促进了圆管内对流换热的强化。

三角小翼纵向涡发生器布置在管翅式换热器中时，常见的布置方式是放置于换热管侧后方。大部分研究都是对管后一对三角小翼的强化换热效果展开研究，较少研究多排小翼的强化换热性能。在自然界大雁呈队列飞行的启发下，本文主要对换热管侧后方布置的三角小翼阵列进行了实验研究，对比了三角小翼V形阵列和单排大三角小翼的换热差异，并研究了小翼攻角、翼高及排列间距对通道换热的影响。

1 实验装置

本实验装置为开式吸风系统，如图1所示。主要由入口段、整流栅、前后稳定段、实验段、收缩段、流量测量段、离心式变频风机等几部分组成。入口段为渐缩喇叭形入口，金属网格整流栅使流经的空气得到梳理与均匀。实验中空气流量的调节使用变频器控制风机的转速来实现，流量测量由测量段上的涡街流量计测得。

图1 实验装置示意图Fig.1 Schematic sketch of the experimental setup

实验段为一矩形通道，尺寸为800 mm×240 mm ×40 mm（长×宽×高），通道底面进行电加热。电加热系统主要由220 V交流电源、变压器、加热膜、电压表及电流表组成。实验过程中调节变压器，改变加热膜两端电压来实现通道加热功率的调整。加热膜是一张800 mm×240 mm（长×宽）的聚酰亚胺加热膜，加热膜内部导电发热体是宽度为2 mm的金属箔条，以间距2 mm蛇形盘旋排列，外部以聚酰亚胺薄膜为绝缘体。聚酰亚胺加热膜厚度只有0.3 mm，热容量小升温迅速，加热功率分布均匀。为了使实验段通道底面获得均匀的热流，在加热膜和通道底面间夹入了一块厚度为2 mm的铝板。加热膜与铝板、铝板与通道底面间均涂有AS⁃608A型导热硅脂以减小各层间接触热阻。为降低热损失，整个实验段最外侧包裹橡塑保温棉。

实验段空气的进出口温度及通道底面壁温均采用标定后的直径0.2 mm的铜⁃康铜T型热电偶测量。实验段进出口截面分别均匀布置了6根和8根热电偶。由于圆管和三角小翼在实验段呈对称布置，测量壁温的热电偶只布置在通道中心线的一侧，通道底面外侧共埋设了43根热电偶。

实验时圆管和三角小翼用耐热胶垂直固定于通道底面上。圆管直径为60 mm，圆心位于通道中心线上，距实验段进口70 mm。与来流成一定攻角的三角小翼阵列，对称布置于圆管下游侧后方。本文研究的三角小翼阵列呈V形排列，阵列由两排三角小翼组成，每个三角小翼的翼长l＝30 mm，翼高h分别取20 mm、15 mm、12 mm，小翼与来流方向的攻角α分别取15°、30°、45°、60°、75°，前后排小翼间距s分别取0 mm、2 mm、4 mm。为了比较两排三角小翼V形阵列和单排三角小翼对通道换热的影响，本文也进行了单排三角小翼的实验，为了保证两种情况下三角小翼的迎流面积相同，单排三角小翼的翼长取为2l＝60 mm，其他参数与三角小翼阵列一致。实验中小翼和圆管的相对位置如图2所示。

图2 小翼和圆管的相对位置Fig.2 Relative position between winglets and tube

2 数据处理与误差分析

2.1 数据处理

雷诺数：

式中：uin为通道内空气进口速度，m／s；de为通道进口的当量直径，m；ν为空气的运动粘度，m2／s。

实验中，加热膜的加热功率由加热系统的电流和电压计算：

通道内空气换热量：

式中：cp为空气的定压比热容，J／（kg·K）；qm为通道内空气的质量流量，kg／s；Tf，in和Tf，out分别为空气的进出口平均温度，K。

理论上空气换热量Q2应等于通道底面电加热功率Q1，但是由于散热损失和测量误差等多种实验条件的影响，二者并不相等。因此，取两者的平均值Q作为计算换热量：

热平衡偏差：

通道底面的热流密度：

通道底面的平均换热系数：

其中，对数平均温差：

平均努塞尔数：

式（6）～式（9）中：A为通道底面加热面积，m2；Tw为通道壁面的平均温度，K；λ为空气的导热系数，W／（m·K）。

2.2 误差分析

实验中，通道内空气的体积流量由精度等级为1.0的涡街流量计测得，铜⁃康铜热电偶的测温误差为±0.2℃，加热膜的加热功率由精度等级为0.25的电压表和电流表测得，所有实验工况的热平衡偏差要求在±5%以内。实验中存在的系统误差与测量误差会影响实验结果的准确性，本文采用二次幂法对实验结果进行不确定度分析。本实验参数范围内，雷诺数、换热系数和努塞尔数的不确定度分别为3%、10%、11%。

3 实验结果分析

3.1 实验系统校核

在进行三角小翼V形阵列换热实验之前，首先对光通道和不带三角小翼的圆管通道进行了换热实验，其平均Nu数随Re数的变化关系如图3所示。为了对实验系统进行校核，引入光通道平均Nu数的经验关联式：Dittus⁃Boelter式和Gnielinski式［17］。

图3 光通道和圆管通道的实验结果Fig.3 Experimental results of the smooth channel and the channel with tube

从图3中可以得出：光通道平均Nu数的实验结果与Dittus⁃Boelter式吻合较好，最大偏差3.6%，平均偏差1.9%，与Gnielinski式相比，实验Nu数偏大，最大偏差16.4%，平均偏差10.5%。通过比较可知，光通道的实验结果与经验关联式的吻合情况总体良好，能够满足工程要求，从而验证了实验系统的可靠性和测量的准确性。在实验的Re数范围内，光通道和圆管通道相比，圆管通道的平均Nu数比光通道增加了15.9%～19.5%。

3.2 三角小翼V形阵列对换热的影响

图4是三角小翼翼高h＝15 mm，攻角α＝60°时，单排大三角小翼及三角小翼V形阵列布置通道平均Nu数随Re数的变化规律。图中以圆管通道平均Nu数为比较基准，圆管通道无三角小翼布置。从图中可以看出，三角小翼的添加明显增强了通道内的换热。流体掠过三角小翼产生的纵向涡加剧了下游流体的掺混，同时使得更多主流流体进入到圆管下游的尾流区，压缩了换热恶化的尾流区范围。在实验的Re数范围内，和圆管通道相比，单排大三角小翼布置使通道内的换热平均增大16.7%～20.8%。在相同的Re数下，三角小翼V形阵列的平均Nu数都要高于单排大三角小翼，平均增加约4.9%。这是由于三角小翼阵列由两排小翼前后呈“V”形组成，两排小翼产生的涡旋相互叠加合成一个大的纵向涡，此纵向涡形成的二次流速度与单排大三角小翼形成的二次流相当，但流体流经前后排小翼间隙时会形成一小股横向冲刷，该小股横向流可改善前排小翼背壁面处的局部流动死区，排挤更多主流流体冲入圆管尾流区，同时该股横向流压迫纵向涡的涡心更贴近下壁面，加剧了主流低温流体和近壁面高温流体的混合，使通道底面的流动边界层和热边界层进一步减薄，从而使通道换热得到提升。对于三角小翼V形阵列来说，不同布置间距的换热效果相差不大，随着间距的增加，通道平均Nu数有增加的趋势。间距s＝4 mm的通道平均Nu数比间距s＝0 mm大约高1.5%。

3.3 攻角对换热的影响

图5是三角小翼翼高h＝20 mm时，小翼不同攻角布置时对通道换热的影响。从图中看出，对于单排大三角小翼和三角小翼V形阵列，通道平均Nu数均随着攻角α的增加而增加，当α＝60°时通道平均Nu数最大，传热性能最好。而当攻角大于60°后，通道换热反而有所减弱，α＝75°的通道平均Nu数低于60°，与45°相差不多。随着攻角的增加，三角小翼下游产生的纵向涡强度增加，涡旋变强，涡旋波及到的通道高温底面范围加大，同时涡旋也吸卷更多流体进入圆管尾流区域，减小了尾流区影响，加强了换热。但当攻角逐渐增大时，三角小翼下游产生的涡旋结构中横向涡的比重增加，纵向涡旋强度随之减弱，同时，随着主流向下游发展过程中，横向涡比纵向涡衰减较快，横向涡涉及到的强化换热的范围要小于纵向涡，这是换热性能随着攻角增加先上升后降低的原因。纵向涡的发生和发展与发生器的攻角有很大的关系，存在一个纵向涡强度的最佳攻角范围，实验表明对于通道换热来说，无论是单排大三角小翼，还是三角小翼V形阵列布置，最佳攻角均为α＝60°。

图4 三角小翼V形阵列对Nu数的影响Fig.4 Effect of the V⁃shaped array of delta winglets on Nu

3.4 翼高对换热的影响

图6是三角小翼攻角α＝60°时，小翼翼高对通道换热的影响。从图中看出，对于单排大三角小翼和三角小翼阵列布置，通道的平均Nu数均随着翼片高度的增加而增加。在三角小翼长度和攻角相同情况下，翼高越大，小翼对来流的阻挡越大，小翼前后的压差随着增大，下游产生的纵向涡强度越大，流动扰动越强，同时扰流的影响范围也就越大，更好的破坏边界层的发展，使得换热性能增加。

3.5 平均努塞尔数关联式

根据单排大三角小翼共42组实验点、三角小翼阵列共126组实验点，归纳实验结果，通过多元线性回归得到了单排大三角小翼和三角小翼阵列的传热特性准则关联式：

单排大三角小翼：

V形三角小翼阵列：

图7为三角小翼通道的Nu数实验结果与拟合关联式结果的对比情况。由图可知，Nu数的拟合关联式和实验结果吻合良好。对于单排大三角小翼和

三角小翼阵列的Nu数关联式，经统计分析可知，分别有97.6%和95.2%的关联式结果分布在实验结果±5%的范围以内。

图5 攻角对Nu数的影响Fig.5 Effect of attack angle on Nu

图6 翼高对Nu数的影响Fig.6 Effect of winglet height on Nu

4 结论

在Re＝4800～10200范围内，对圆管侧后方三角小翼V形阵列及单排大三角小翼布置的强化换热特性进行了对比实验，并研究了小翼布置参数（攻角、翼高及排列间距）对通道换热的影响。主要结论如下：

1）相同的迎流面积下，三角小翼V形阵列布置的通道换热要优于单排大三角小翼布置，增加约4.9%左右。同时，三角小翼V形阵列布置时，随着前后排间距的增加，通道换热有增加的趋势。

2）单排大三角小翼和三角小翼V形阵列布置中，通道的换热均随着翼片攻角的增加先增加后减小，当翼片攻角α＝60°时，通道换热最强。

3）单排大三角小翼和三角小翼V形阵列布置中，翼高越大，流动扰动越强，通道换热性能越好。

图7 Nu数拟合结果与实验结果的对比Fig.7 Comparison of experiment data and correlations for Nu

4）通过拟合实验数据，得到了包含翼高、攻角和翼间距在内的单排大三角小翼和V形三角小翼阵列的传热特性准则关联式，并对其准确性进行了检验。

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田丽亭，女，博士，河北工业大学能源与环境工程学院，（022）60435795，E⁃mail：lttian＠hebut.edu.cn。研究方向：强化传热与节能技术。

About the author

Tian Liting，female，Ph.D.，School of Energy and Environmental Engineering，Hebei University of Technology，＋86 22⁃60435795，E⁃mail：lttian＠hebut.edu.cn.Research fields：heat transfer en⁃hancement and energy saving technology.

Experimental Study on Heat Transfer Characteristics of the Delta Winglets with V⁃shaped Array

Tian Liting Gao Yongkun Wang Jiali Min Chunhua Yang Li

（School of Energy and Environmental Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin，300401，China）

Water In the range of Re＝4800～10200，the experiment was made to investigate the heat transfer characteristics of two rows of the delta winglets arrayed in V shape at the back side of the round tube in the rectangular channel.The heat transfer enhancement was com⁃pared between the delta winglets with V⁃shaped array and the single⁃row large delta winglets，and the effects of attack angle of delta wing⁃let，winglet height and spacing of winglet array were examined.Results show that Nu of the delta winglets with V⁃shaped array is 4.9% higher than that of the single⁃row large delta winglets，and the heat transfer in the channel has an increasing trend with the increase of the spacing in winglet array.For the delta winglets with V⁃shaped array and the single⁃row large delta winglets，with increasing the attack an⁃gle of the delta winglet，the heat transfer enhancement increases firstly and then decreases，and the optimal attack angle is α＝60°，while，the heat transfer enhancement in both layouts monotonically increases with the increase of the winglet height.The correlations of Nu for the delta winglets with V⁃shaped array and the single⁃row large delta winglets are respectively derived by the regression analysis of ex⁃perimental data.These correlations can be referred for the arrangement of the delta winglets in the fin⁃and⁃tube heat exchanger.

fin⁃and⁃tube heat exchanger；heat transfer enhancement；longitudinal vortex；experimental study

TK124

A

0253－4339（2015）04－0029－07

10.3969／j.issn.0253－4339.2015.04.029

国家自然科学基金（51106041）资助项目。（The project was supported by the National Natural Science Foundation of China（No. 51106041）.）

2014年11月23日