腰槽开孔矩形翼涡流发生器的传热和流阻特性

徐志明，熊骞，王景涛，韩志敏



腰槽开孔矩形翼涡流发生器的传热和流阻特性

徐志明，熊骞，王景涛，韩志敏

（东北电力大学能源与动力工程学院，吉林吉林132012）

涡流发生器是一种广泛应用的被动强化传热元件，在换热器的换热壁面上以阵列形式布置。涡流发生器靠诱导和产生涡旋来削减或破坏壁面边界层从而达到强化换热。本文对安装腰槽开孔矩形翼涡流发生器和未冲孔矩形翼涡流发生器以及圆孔矩形翼涡流发生器的矩形通道进行了传热和流阻特性的实验研究。实验雷诺数范围为=1000～4000。结果表明：在相同雷诺数下，安装有腰槽开孔矩形翼涡流发生器的矩形通道的换热效果和流阻特性优于未冲孔矩形翼涡流发生器和圆孔矩形翼涡流发生器，腰槽开孔矩形翼涡流发生器综合换热性能最好。涡流发生器布置攻角和纵向间距对腰槽开孔矩形翼涡流发生器传热和流阻有较大影响，对比不同涡流发生器布置攻角和纵向间距，得出90°攻角布置和纵向间距为80mm布置的腰槽开孔矩形翼涡流发生器总和换热性能最好。

腰槽开孔矩形翼涡流发生器；强化换热；流阻；攻角；纵向间距

涡流发生器是一种应用广泛的被动强化传热元件，在电力、化工、冶金、建筑等领域被广泛使用。面对能源稀缺的现状，增加换热器效率来达到节能和节材的思路引起广泛关注。HABCHI等[1]对三类十二种不同配置的涡流发生器湍流漩涡流动传热的全局和局部进行数值模拟分析。CALISKAN[2]实验研究冲压矩形翼涡流发生器和冲压三角翼涡流发生器在改变其几何形状和附着角度下的换热特性。采用红外热成像技术，与光板作对比得出冲压三角涡流发生器换热特性最好。DU等[3]实验和数值模拟研究在波浪形鳞片上冲压三角翼涡流发生器前后空气侧流动特性和换热特性。结果表明，雷诺数在1500～4500之间换热效果大幅度提高，平均努塞尔数增加21%～60%。雷诺数在500～4500之间平均摩擦系数提高13%～83%。KUMAR[4]综述不同类型布置的涡流发生器强化换热实验研究和数值模拟研究。各种增强换热的涡流发生器类型和经济有效的技术均在文献中提及。ZHOU等[5]对比常规涡流发生器对弯曲梯形翼涡流发生器进行实验研究。结果表明，三角翼涡流发生器在层流区和过渡区热工性能最好，而弯曲梯形翼涡流发生器在湍流区由于其流线型构造热工性能最好。同时得到较小攻角（0°和15°），较大曲率(长/宽=2/1)，较大倾斜角度（20°）在给出条件下具有最佳热工性能。HSIAO等[6]数值模拟和采用田口理论研究几何参数对布置微型涡流发生器后微型混合器的影响。结果表明，不同雷诺数下渐阔布置矩形翼涡流发生器布置混合效率高于渐缩以及单排布置。静态田口分析表明几何参数相对效果为：不对称＞攻角＞翼片高度＞间距。GHOLAMI等[7]数值模拟研究在紧凑式换热器中波浪式翼型涡流发生器在低雷诺数下换热特性和流阻特性。结果表明，波浪式矩形翼涡流发生器在一定压力损失下可以显著提高翅管式换热器换热性能。LIN等[8]数值模拟研究在管束翅式换热器中，在圆形管后部布置弧形三角翼涡流发生器。考虑其径向和轴向位置、高度和长度对换热器传热性能的影响。ABDOLLAHI等[9]数值模拟研究涡流发生器形状和攻角对矩形散热片换热特性和流动特性的影响。JANG等[10]数值模拟研究三维层流状态管式换热器中在管后布置交错鳍片式涡流发生器的热工特性。COLLEONI等[11]数值模拟研究在非对称加热情况下，换热器中流体热性能增强。模拟采用三角翼涡流发生器和肋片的结合来研究换热器内部强制对流换热和摩擦损失。计算结果表明，更大更薄的肋片具有最佳散热性能，而三角翼涡流发生器的高度为通道高度的一半时具有最佳性能。CAI等[12]数值模拟研究矩形通道内非对称布置矩形翼涡流发生器的换热特性和流阻特性。结果表明，在雷诺数为500～2000时，非对称布置矩形翼涡流发生器对比对称布置努塞尔数减小4%～6%，摩擦系数减小11%～22%，且总体热性能提高5%～20%。田丽亭等[13]三维数值模拟研究平翅片上布置三角翼涡流发生器后产生的三角孔洞及其位置对翅片换热特性的影响。唐凌虹等[14]对比圆管后渐扩式布置三角翼涡流发生器和圆管两端渐缩式布置三角翼涡流发生器两种纵向涡流发生器的换热特性，得出后一种布置方式换热特性较好，同时数值模拟几何参数该形式布置涡流发生器的换热特性影响。叶秋玲 等[15]实验研究矩形通道内6种涡流发生器在雷诺数700～26800范围内的强化传热效果和压降特性。实验结果表明，由于斜截半柱面能产生端部涡和根部马蹄涡系，并且结合其流线型结构，相比其他5种涡流发生器，该涡流发生器具有最优强化换热效果和压降特性。叶秋玲等[16]实验研究矩形通道内布置一对高宽比为1比2的斜截半柱面，在雷诺数700～26800范围内，不同斜边倾角、来流攻角、前沿间距、布置方式和顺列错列下换热特性和压降特性。郭磊等[17]数值模拟研究比较圆管后布置与不布置矩形翼涡流发生器，得到温度场、速度场和压力场的分布情况。徐志明等[18]数值模拟研究矩形通道内CaCO3污垢沉积过程，得出CaCO3在矩形通道内的沉积率、剥蚀率与污垢热阻随入口浓度的增大而增大，随着入口速度的增大而增大，但是随入口溶液温度的增大而减小。

本文实验采用水为工质，对比研究腰槽开孔矩形翼涡流发生器、圆孔矩形翼涡流发生器、未开孔矩形翼涡流发生器和光板同工况下换热特性和流阻特性。

1 实验系统与方法

1.1 实验系统

实验系统如图1所示。工质经循环水泵从低位水箱输送至高位水箱，因势差一部分工质从高位水箱输送至实验段，通过实验段后工质流回低位水箱，形成循环回路。另一部分经溢流板溢流流向低位水箱。循环回路主要以两种冷却方式（冷水机水冷和风机风冷）冷却低位水箱内的水温确保水箱温度波动较小和一种加热方式（3根2000W加热棒）经温控仪调节进行加热，确保恒温水箱温度的偏差不超过±1℃。实验主要测量装置有Pt100热电阻（WZPK-191）用于测量实验段入口和出口以及水浴温度，测量精度±0.15℃，LDE-15SM2F100电磁流量计采集实验段工质流量。

1.2 涡流发生器及其布置

涡流发生器材质为0.3mm厚304不锈钢。涡流发生器如图2所示。

矩形通道几何尺寸为1000mm×100mm×8.5mm，由两块材质为304不锈钢厚度为0.8mm以及密封材料构成矩形通道。涡流发生器布置示意图如图3所示。入口稳定段=150mm，涡流发生器横向间距=20mm，涡流发生器纵向间距=70mm，迎流攻角，迎流向布置，箭头所指为工质流动方向。

1.3 实验数据处理

本实验采用基本公式为传热方程式和热平衡方程式，见式(1)、式(2)。

＝Δm(1)

＝vc(out–in) (2)

根据传热方程式和热平衡方程式得到总热导率表达式，见式(3)、式(4)。

(4)

雷诺数的定义为式(5)。

当量直径为式(6)。

(6)

本文使用传热因子、摩擦系数和综合评价因子作为评价指标。他们的定义如式(7)～式(9)。

(8)

(9)

式(7)中，为普朗特数。

1.4 误差分析

实验台选取测量精度为0.2%型号为PT100的热电阻和测量精度为0.05%的精密线绕电阻；选取型号为LDE-15SM2F100测量精度为0.5%的电磁流量计进行采集实验流量；选取型号为TS220-3015测量精度为0.1%的压差变送器测量实验段进出口压差；选取数据转换模块的最大转换误差为0.01%。采用文献[19]中均方根法对实验台进行误差分析。

表1 温度、压差及流量的测量误差

总热导率误差包括仪器精度误差和数据线性回归造成的误差。数据线性回归最大相对误差A=5%。可得总热导率、传热因子和摩擦因子最大相对误差如式(10)所示。

计算得出实验台的温度、压差和流量的测量误差皆满足工程上小于±1%的要求，总热导率相对误差小于10%，满足工程上的要求[20]。因此，本实验台数据可靠，能够进行相关实验研究。

2 实验结果与分析

2.1 3种涡流发生器综合换热性能

3种涡流发生器在矩形通道内/0值随雷诺数变化规律如图4。由图4可知，腰槽开孔矩形翼涡流发生器传热效果最好，其次是圆孔矩形翼涡流发生器，换热效果最差的是未冲孔矩形翼涡流发生器。分析可知，布置涡流发生器后产生的涡旋改变层流均匀流场和温度场，并且改变边界层、次边界层和缓冲层这些占有相当大热阻成分的厚度，从而换热较未布置涡流发生器有明显提高[21]。而在迎流面开孔后，工质穿过开孔处形成射流对背部稳定度较高扰动较小的回流区进行冲刷，因此开孔后矩形翼涡流发生器传热效果明显好于未开孔矩形翼涡流发生器。其原因一是改变回流区边界层、次边界层和缓冲层厚度；二是降低回流区稳定度，改变均匀流场和温度场。比较直径皆为1mm腰槽开孔矩形翼涡流发生器和圆孔矩形翼涡流发生器，由于腰槽开孔面积远大于圆孔面积，故工质流经腰槽形成的射流面积远远大于流经圆孔的面积。因此较大程度上改变回流区稳定度以及边界层、次边界层和缓冲层厚度。但是形成的射流一定程度上会对工质经翼边产生的漩涡产生影响，但是在一定开孔面积范围内，对回流区的影响射流应大于经翼边产生漩涡，因此腰槽开孔矩形翼涡流发生器传热效果 最佳。

3种涡流发生器在矩形通道内/0值随雷诺数变化曲线如图5。由图5可知，未开孔矩形翼涡流发生器/0值最大，其次是圆孔矩形翼涡流发生器，腰槽开孔矩形翼涡流发生器最小。分析可知，未开孔矩形翼涡流发生器迎流截面积大，工质流经未冲孔矩形翼涡流发生器速度锐减端部易产生滞止区，工质只能从翼边流过涡流发生器，流动阻力较大。而开孔后矩形翼涡流发生器部分工质能穿过开孔处，因此流动阻力明显降低。比较直径皆为1mm的腰槽开孔矩形翼涡流发生器和圆孔矩形翼涡流发生器，开孔面积的增加使更多工质流过开孔处导致涡流发生器前后压降减小，将开孔面积无限延伸，可近似看作光板，开孔面积较大的腰槽对比圆孔对降低流阻起主导作用。因此腰槽开孔矩形翼涡流发生器/0值最小。

综合评价因子随雷诺数变化的曲线如图6。由图6可知，未冲孔矩形翼涡流发生器综合评价因子最低，腰槽开孔矩形翼涡流发生器综合评价因子最高，圆孔矩形翼涡流发生器综合评价因子介于两者之间。

经上述实验所知，对比3种涡流发生器，腰槽开孔矩形翼涡流发生器综合评价因子最高，下面将从攻角和纵向间距对腰槽开孔矩形翼涡流发生器传热和流阻特性进行实验研究。

2.2 攻角的影响

将腰槽开孔矩形翼涡流发生器按2列10排布置在矩形通道内。攻角分别为30°、60°和90°，/0值随雷诺数变化曲线如图7。由图7可知，90°攻角布置时/0值最大，其次是60°攻角布置，30°攻角布置后/0值最小。分析可知，一是90°攻角布置的腰槽开孔矩形翼涡流发生器迎流截面积要大于其他两种攻角布置，因此产生的涡流要明显多于其他两种攻角布置，而涡流的产生伴随着区域不稳定度提高和边界层、次边界层、缓冲层的改变。二是从主流方向看，90°攻角布置后腰槽开孔矩形翼涡流发生器的腰槽面积最大，因此工质流进腰槽形成射流对背部回流区冲刷面积大于其他两种攻角布置，而射流的存在极大程度上扰乱换热弱较弱的回流区的稳定性，进而改变该区流动性，同时破坏该区域占有相当大热阻成分的边界层、次边界层和缓冲层的厚度。随着攻角不断减小，从主流方向看腰槽面积随之减小，工质流进腰槽产生的射流对背部回流区冲刷面积随之减小。另外，工质流经涡流发生器产生的涡流强度随着攻角的减小而减弱，强化传热特性随攻角减小而降低。因此，90°攻角布置强化传热特性最好，60°攻角布置其次，30°攻角布置最差。

攻角分别为30°、60°和90°/0值随雷诺数变化曲线如图8。由图8可知，90°攻角布置时/0值最大。其次是60°攻角布置，30°攻角布置时/0值最小。分析可知，虽然腰槽开孔后，部分工质能从开孔处流过，但腰槽面积相对整个迎流截面积较小。因此大部分工质是从涡流发生器翼边流过，而90°攻角布置后涡流发生器端部会产生滞止区，大部分工质无法从开孔处流过，在端部滞止区速度锐减，与壁面摩擦随之增加。60°攻角和30°攻角布置涡流发生器与主流方面呈一定角度。工质流经涡流发生器后速度虽然减小，但与主流方向上一直的速度不会锐减为0，并且工质在主流方向上速度减小率随攻角的减小而减小，与壁面的摩擦也攻角的减小而减小。因此，90°攻角布置流阻特性最差，60°攻角布置其次，30°攻角布置流阻特性最好。

综合评价因子随雷诺数变化的曲线如图9。由图9可知，90°攻角布置时综合评价因子最高，60°攻角布置次之，30°攻角布置时综合评价因子最低。

2.3 纵向间距的影响

不同纵向间距（60mm、70mm、80mm）布置后在矩形通道内/0值随雷诺数变化曲线如图10。由图10可知，纵向间距60mm（2列11排）布置时/0值最大，纵向间距70mm（2列10排）布置其次，纵向间距80mm（2列9排）布置时/0值最小。分析可知，纵向间距60mm布置后的涡流发生器距离较近，工质流经上排涡流发生器后产生的射流和涡流影响还没消失，继续作用在下一排涡流发生器，在一定程度上比较其他两种纵向间距布置，涡流发生器周围区域稳定度极大程度遭到破坏，并且涡流和射流的共同作用削弱边界层、次边界层和缓冲层厚度。因此纵向间距60mm布置/0值最大，纵向间距70mm布置其次，纵向间距80mm布置/0值最小。

不同纵向间距（60mm、70mm、80mm）布置后在矩形通道内/0值随雷诺数变化曲线如图11。

由图11可知，纵向间距60mm（2列11排）布置时/0值最大，纵向间距70mm（2列10排）布置其次，纵向间距80mm（2列9排）布置时/0值最小。分析可知，纵向间距过小，上排涡流发生器产生的涡流和射流对下排涡流发生器影响较大，纵向间距60mm布置，下排涡流发生器受上排涡流发生器影响最大，故纵向间距60mm布置/0值最大，流动特性最差。而且随着纵向间距增加，工质流经腰槽后形成的射流呈渐阔式，一定程度会干扰工质流经涡流发生器翼边产生的涡流，故80mm布置/0值小于于70mm布置/0值。因此，纵向间距60mm布置/0值最大，纵向间距70mm布置其次，纵向间距80mm布置/0值最小。

综合评价因子随雷诺数变化的曲线如图12。由图12可知，纵向间距80mm（2列9排）布置的综合评价因子最高，纵向间距70mm（2列10排）布置时综合评价因子其次，纵向间距60mm（2列11排）布置时综合评价因子最小。

2.4 实验准则关联式

采用量纲分析法，得出在矩形通道内布置腰槽开孔矩形翼涡流发生器后影响强化传热的主要因素有数、数、几何参数和位置参数，故存在以下关联式，见式(11)。

根据实验结果，对腰槽开孔矩形翼涡流发生器的多种纵向间距进行多元回归，得出其准则关联。当=1000～4000时，见式(12)。

(12)

关联式与实验结果对比如图13，可见实验点皆在±10%误差范围内。

3 结论

（1）腰槽开孔矩形翼涡流发生器较矩形翼涡流发生器和圆孔矩形翼涡流发生器综合换热性能更佳。

（2）攻角对腰槽开孔矩形翼涡流发生器综合换热性能有较大影响，90°攻角布置的腰槽开孔矩形翼涡流发生器综合换热性能最好。

（3）纵向间距对腰槽开孔矩形翼涡流发生器综合换热性能有较大影响，在一定纵向间距范围内，纵向间距80mm布置的腰槽开孔矩形翼涡流发生器综合换热性能最好。

符号说明

A——总传热面积，m2 A0——矩形通道有效换热面积，m2 Ac——矩形通道最小横截面积，m2 b——矩形通道宽度，m C——涡流发生器纵向间距，mm cp——工质比热容，J/(kg·℃) de——当量直径，m f——摩擦因子 h——矩形通道高度，m j——传热因子 k——换热面总热导率，W·m2/K L——入口稳定段距离，mm qv——实验段工质流量，L/min R——综合评价因子 S——涡流发生器横向间距，mm tout——实验段入口温度，℃ tin——实验段出口温度，℃ tsy——恒温水浴温度温度，℃ Δtm——对数平均温差，℃ u——工质在矩形通道内平均流速，m/s β——涡流发生器攻角，(°) ρ——工质密度，kg/m3 h——动力黏度，Pa·s Φ——热流量，W φ——孔直径，mm

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Experimental study of heat transfer and flow resistance characteristics of rectangular wing vortex generator with waist groove

XU Zhiming，XIONG Qian，WANG Jingtao，HAN Zhiming

（School of Energy and Power Engineering，Northeast Dianli University，Jilin 132012，Jilin，China）

Vortex generator is a kind of element for passive heat transfer enhancement，usually on heat transfer surface of heat exchangers in the form of array layout. Vortex generators enhance heat transfer by inducing vortice to thin or destroy the wall boundary layer. The characteristics of heat transfer and flow resistance equipped with the rectangular wing vortex generators with waist groove，the rectangular wing vortex generator and the rectangular wing vortex generator with a hole in a rectangular channel was experimentally studied in this paper. Experimental Reynods number，，ranges from 1000 to 4000. The results showed that at the same Reynods number the rectangular wing vortex generators with waist groove have the best characteristics of heat transfer and flow resistance in a rectangular channel compared to the rectangular wing vortex generator and rectangular wing vortex generator with a hole. The attack angle and longitudinal distance of vortex generator have influence on heat transfer and flow resistance. It was found that the best performance of comprehensive heat transfer attack angle was 90° and the best performance of comprehensive heat longitudinal distance was 80mm.

rectangular wing vortex generator with waist groove；heat transfer enhacement；flow resistance；attack angle；longitudinal distance

TK124

A

1000–6613（2017）06–2023–08

10.16085/j.issn.1000-6613.2017.06.008

2016-10-28；

2017-02-04。

国家自然科学基金项目（51476025）。

徐志明（1959—），男，教授，博士生导师，主要从事节能理论与技术、换热设备的污垢与对策和强化换热的研究。E-mail：xuzm@mail.nedu.edu.cn。联系人：熊骞，硕士研究生，主要从事节能理论与技术、换热设备的污垢与对策研究。E-mail：46608253@qq.com。