三角对翼和圆柱组合强化螺旋通道换热的数值研究

戴玉龙，王翠华

(1.辽宁轨道交通职业学院，辽宁 沈阳 110023； 2.沈阳化工大学 能源与动力工程学院，辽宁 沈阳 110142)

纵向涡发生器是一种理想的强化传热元件[1]，它通过对流体产生扰流作用，致使流体流过纵向涡发生器后产生一系列大小不一的纵向涡，纵向涡向下游的流动，加速了主流流体与近壁面边界层之间的物质和能量交换，同时减薄边界层厚度，达到强化传热效果。纵向涡发生器类型很多，常分为柱型和翼型，经过前人的研究，发现翼型的传热效果优于柱型。而在分析以上翼型涡发生器强化矩形螺旋通道的传热效果时，张丽等[2]认为三角对翼涡发生器的综合性能最优。本文在螺旋板式换热器定距柱的两侧安装三角对翼，可实现翼形和柱形涡发生器复合共同强化矩形螺旋通道的传热。

在对诸如螺旋板式换热器此类螺旋通道复合强化传热的研究工作中，张亚龙等[3-4]以单个三角翼和椭圆柱交叉布置组成单元化区域，分析了该组合涡发生器强化矩形曲面通道传热的效果。王翠华等[5]采用CFD模拟的方法分析了三角对翼和柱形翼组合强化矩形螺旋通道传热时流体流动和换热的相关性能，发现强化效果明显。本文在文献[5]的基础上，改变三角对翼与圆柱的组合方式，分析研究该组合方式下强化矩形螺旋通道流体传热的效果。

1 数值模拟方法

本文采用Gambit软件建立螺旋流道的三维物理模型。为减少数值计算的计算量，保证计算精度，本文考虑流体通道的近似性及通道截面的对称性，将流体通道模型简化为图1用于计算。模型中螺旋通道曲率半径用Rc表示，矩形截面高度为a=80 mm，宽度b=10 mm，定矩柱直径d=10 mm，按正三角形布置，排列尺寸为80×80 mm；三角翼为直角三角形，其厚度1 mm，固定于内壁上的直角边长度为l=10 mm，三角翼后端间距δ=3 mm，攻角和高度分别用α和hi表示。螺旋流道的无量纲曲率为κ=b/Rc，其它无量纲高度hi′ =hi/b。流体介质以速度u自入口(左)进入，从出口(右)流出。共计算了7个模型，其参数值如表1所示。

图1 简化的物理模型

Fig.1 Simplified physical model

应用Fluent软件进行数值模拟，具体的网格划分、无关性检验、模拟方法、数据处理和模拟结果验证见文献[5]。

表1 结构参数值Table.1 The values of the structural parameters

2 模拟结果及分析

本文主要从攻角α、高度hi＇两个方面研究三角翼和柱形组合涡发生器的结构参数对矩形螺旋流道强化换热效果的影响，其研究范围为3000≤Re≤24000。

2.1 攻角α对流动换热的影响

图2给出了模型1至5的平均Nu数和阻力系数f随Re的变化情况。由图可见，相同Re下，内置组合涡发生器的螺旋流道的平均Nu数和阻力系数f均高于只有柱的情形，说明组合涡发生器能明显强化螺旋通道传热，但流道阻力也明显增大。随α增大，其Nu值和f也逐渐增大。

图2 不同攻角α 时Nu数和f比较Fig.2 Comparison of Nu and f for different vortex generators

图3和图4给出了Re=7200时模型1、2曲面俯视图上的速度大小、流线分布及柱后同一横截面上的二次流矢量图。由图可见，定距柱对来流有一定的扰动，但来流沿柱分离会形成横向涡，使得流体在柱后尾迹区独自旋转，几乎不与主流区域进行质量交换，造成柱后尾迹区面积大，流速小，混合换热效果差；三角对翼对柱后流体继续产生扰动，形成纵向涡，有效减小柱后低速区的范围，促进了尾迹区与主流流体间的热质交换，同时也增大了流体流动的阻力损失。观察柱后同一横截面(θ=10°)上的二次流分布情况，发现仅布置扰流柱时，柱扰动对该截面上二次流的影响范围和强度均较小，螺旋通道横截面中心呈现典型的两涡结构，截面两侧的二次流很弱。内置组合涡发生器时，横截面两端出现了两个新的二次涡，并将经典二次涡向中心挤压，整个横截面上二次流程度得到加强。综合以上分析可知，组合涡改变了流体轴向流和二次流的流动结构，减薄了换热壁面处的边界层，强化了传热。

图3 不同涡发生器时流体轴向速度及流线图Fig.3 The contours of the axial velocity and streamlined diagram for different vortex generators

图5 不同攻角下综合性能因子G比较Fig.5 The comparative values of G for different attack angles

为综合分析三角对翼攻角对螺旋通道换热和阻力综合性能的影响，图5给出了不同攻角下综合性能因子G随Re的变化情况。可以看出，随着Re的增加，螺旋流道综合性能G先减小后趋于不变，说明组合涡发生器的强化换热能力在Re数较低时好。当Re大于10000后，在研究的攻角范围内，α=30°时综合因子G最大，建议三角翼和柱组合按本文布置时，三角对翼攻角选择30°左右。

2.2 l＇的对流动换热的影响

图6、图7 分别给出了不同高度hi＇下螺旋流道平均Nu数、阻力系数f和综合性能因子G随Re的变化情况。由图6可见，在同一Re下，螺旋通道的平均Nu和阻力系数f均随三角翼高度hi＇的增加而增大，而图7中的综合性能因子G却随高度hi＇的增加而减小。这说明三角翼高度hi＇增大虽然能增强柱后流体的扰动，起到强化传热的作用，但也同时产生了更大的流动阻力损失，使得综合性能变差，所以在选择三角翼高度时应综合考虑强化传热和增大流阻所产生的综合效益。

图6 不同hi＇下Nu数和f比较

Fig.6 Comparison ofNuandffor differenthi＇

图7 不同底端长度hi＇下Nu、f相对值和G值

Fig.7 The comparative values ofGfor differenthi＇

3 结论

(1)三角对翼和定距柱复合按“下降流型”布置，可在定距柱后形成纵向涡，并复合离心力的作用，改变矩形螺旋通道横截面上二次流的结构，形成四涡结构，强化了传热，故内置组合涡发生器的螺旋流道的平均Nu数明显高于只有柱时的值。

(2)三角对翼的攻角α增大，内置组合涡发生器流道的平均Nu值和f也逐渐增大，而综合因子G的值先减小后趋于不变；在本文研究范围内，α=30°时综合因子最大，建议三角翼和柱组合按本文布置时，对翼攻角取30°左右。

(3)在本文的研究范围内，相同Re时，螺旋通道的Nu随三角翼高度hi＇的增加而增大，综合因子G随hi＇的增加而减小。因此，在采用三角对翼和圆柱组合强化矩形螺旋通道换热时，应考虑hi＇增加给企业带来的换热效率提高及阻力损失增大两方面的综合效益。