圆柱形扰流元件强化传热的研究进展

2019-11-29包雅媛陶俊龙谢纬安喜冠南

科技与创新 2019年4期

包雅媛，陶俊龙，谢纬安，喜冠南

（南通职业大学机械工程学院，江苏南通 226007）

1 概述

1.1 背景

强化传热是20世纪60年代发展起来的一种改善传热性能的技术，目的是促进和适应高热流量传热，采用经济的设备传输特定的热流量，或者采用最有效的冷却方式保护高温部件的安全运行[1]。目前，工程中常用增大流体间的扰流来强化传热。插入圆柱形扰流元件是其典型应用，也是工业上较为常用的强化传热方法，它安装简单，易于更换，能增加传热速率，使温度分布均匀，提高原有换热性能，并广泛地应用于工业生产的各个领域，比如在航空航天技术、大功率电子设备、热能动力及化工、冶金等工业部门。因此，对插入圆柱形扰流元件强化传热问题的研究在工程实际中具有很重要的意义。

在强化传热元件的使用过程中，虽然获得了较高的传热效率，但也增加了流体流动阻力，如何综合考虑传热和阻力损失的强化传热性能评价指标，在增加最小的压力下得到最大的传热效果，是一个值得深入研究的问题。目前，虽然已有了一定的研究成果，但对圆柱形扰流元件强化传热机理的研究尚不明确，因此，研究其强化传热问题具有很重要的理论与现实意义。

1.2 圆柱形扰流元件强化传热理论分析

根据传热方程式[2]，单位时间内传热量φ=AKΔT，可见，强化传热的途径有以下三种方式：增大传热面积（A），提高传热系数（K），提高平均温差ΔT。

圆柱形扰流元件强化传热是典型的强化传热方法，通过提高传热系数增加传热量，它除了输送传热介质的功率消耗外，几乎不再需要附加动力，就能达到强化传热的作用。

2 强化传热技术进展

插入扰流元件强化传热问题在理论和工程中具有重大的意义，国内外许多学者围绕圆柱形扰流元件强化传热问题展开了研究。大多数研究的是关于圆柱为扰流元件与其他扰流元件传热效果间的对比和分析影响圆柱形扰流元件传热效果的因素，研究的方法主要包括实验模型和数值模拟等。

2.1 数值模拟

随着传热学理论的完善和计算机设备的不断更新，计算机数值模拟技术得到了快速发展，扰流元件强化传热问题在数值模拟方面也取得了一定成就。

2.1.1 单圆柱强化传热问题

目前，圆柱作为传统的扰流元件，经常应用于工程中，同时也成为了人们的研究对象。俞接成等[3]运用通用软件Fluent层流模型和动态网格技术，对空气低速绕流振动圆柱的对流换热进行了研究，数值计算表明，在其计算范围内，圆柱振动可使换热强化，最大可强化9倍，换热的强化效果随振幅和频率的增大而增大，且在相同振动条件下，雷诺数越低，振动对换热的强化效果越好。经分析表明，圆柱振动强化换热的原因在于速度场和温度梯度场之间的协同程度得到了改善，从而使换热得到强化。

宿艳彩和葛培琪[4]也运用Fluent软件的动网格技术和UDF编程方法分别对来流速度和圆柱振动方向对圆柱对流换热的影响做了分析，来流速度远低于圆柱最大振动速度时，振动强化换热效果明显；随着来流速度的增大，振动强化换热效果降低，当流速为圆柱最大振动速度的4倍时，圆柱传热效果仅增强1.2%；圆柱的振动方向对强化换热的影响不显著，在其研究范围内，因圆柱振动方向导致其换热性能的变化量在6%以内。

此外，马小晶等[5]虽也采用数值模拟方法进行研究，但将圆柱形扰流元件与其他扰流元件进行对比，当空气在管内流动换热时，对其插入的不同结构扰流元件时的速度场和温度场进行分析，研究不同尺寸和形状扰流元件对换热和流阻的影响。研究结果表明，圆管内沿轴线插入扰流元件的平均换热系数大于光滑圆管；对于插入圆柱形扰流元件，其直径越大，对流换热效果越好；对于不同形状的扰流元件进行对比研究可看出，球形链式扰流元件增强换热效果的能力最强，略大于椭球形链式，其次是圆柱式，而椭球式扰流元件增强换热效果的能力最弱。

2.1.2 多圆柱强化传热问题

对于多排排列的圆柱群，由于上游柱对下游柱的整流作用，会使下游柱的传热效果不同于单个或单排圆柱。闫世峰等[6]通过对单排圆柱列与叉排圆柱列的流场、温度场的特性进行了数值分析与比较，通过基于复合网格的计算方法，研究了不同排列方式下的流动与传热特性，计算结果表明，圆柱的排列方式对这两种布置的流场的流动与传热特性将产生重要的影响，并且叉排圆柱列的传热效果要优于单排圆柱列的传热效果。

圆柱排列结构在影响流场的同时，对壁面换热也具有重要影响。张丽等[7]也对叉排圆柱列进行了数值计算，在逐渐收缩的梯形通道内，对圆柱叉排的流动换热的规律和压力损失进行分析，并与矩形通道进行比较。计算结果表明，梯形通道与矩形通道的端壁总平均换热系数相差不大，但是梯形通道内每排圆柱的平均换热系数相差较大。

为了进一步改善扰流柱内的换热效率，很多学者开始寻找新的扰流柱形式，比如液滴形、链式、椭球式等，许多学者把他们与圆柱形扰流柱流动和传热特性做了对比。杨成凤等[8]用数值计算的方法对具有水滴形叉排扰流柱阵列矩形通道内的流动和换热过程进行了数值模拟，并与具有相同截面积的圆柱形扰流柱进行了对比分析，发现水滴形扰流柱的阻力几乎只有圆柱形扰流柱的一半，其强化换热效果不及圆柱形扰流柱的换热效果，但是水滴形扰流柱为实现高效低阻的冷却方式提供了可能。

2.2 实验研究

研究圆柱扰流强化传热对提高现代工业设备长期运行的可靠性与安全性也具有特别重要的现实意义，实验研究是准确认识强化传热的有效手段之一。

2.2.1 单圆柱强化传热问题

冷学礼等[9]对振动圆柱的传热特性做了研究，通过流体低流速横向冲刷简谐振动圆管进行实验，结果表明流体绕流振动圆管时，在较低流速下即可获得较好的传热效果，换热的增强较少地依赖于流动雷诺数，更多地依赖于振动雷诺数，传热的效果还受振动过程中的振幅与频率的影响，在低频与低振幅的范围内，振幅越大，频率越高，传热效果越好。同样类似的研究还有许多，Saxena等[10]，姜波等[11]都对简谐振动圆管的换热特性进行了实验研究，发现流体低速绕流振动圆管时，强化传热效果较好，并且换热的强化随振幅和频率的增大而增大，与冷学礼的实验结果吻合。

目前在许多换热设备中都有用于强化换热的各种结构的扰流元件存在，国内外学者将其与圆柱形扰流柱进行试验对比研究。Li[12]通过实验对椭圆形扰流柱的强化换热效果和压力损失进行了研究，并与具有相同周长的圆形扰流柱进行了比较，发现前者的换热系数比后者有一定提高，且压力损失仅为后者的44%～58%.

Uzol和Camci[13]通过实验比较了圆形、标准椭圆和加长椭圆3种形状不同、具有相同横向尺寸扰流柱后部尾迹区的换热特性和压力损失特性，发现圆形扰流柱的传热系数比标准椭圆和加长椭圆的结果高出25%～30%，压力损失系数却高出100%～200%.

此外，Montepare和Ricci[14]用热象仪拍摄了装有单个圆形、方形、三角形和长菱形扰流柱的矩形通道恒热流壁面的温度场，进而分析了扰流柱形状对换热性能的影响。当Re＜1 500，圆形扰流柱的换热能力强于方形扰流柱的；当Re＞1 500时，方形扰流柱的换热能力得到了加强，优于圆形扰流柱的。在所测雷诺数范围内，三角形扰流柱的换热效果好于圆形扰流柱的；菱形扰流柱的换热能力介于圆形扰流柱和三角形扰流柱之间。

在国内，黄国联[15]通过实验和计算，详细分析比较了圆柱形、圆柱竹节形、椭圆竹节形扰流柱的换热特性，圆柱竹节形扰流柱的平均努塞尔特数比圆柱形扰流柱的高4%左右，椭圆竹节形扰流柱的平均努塞尔特数比圆柱形扰流柱的低10%左右，得出椭圆竹节形扰流柱具有高效低阻的良好综合性能。

2.2.2 多圆柱强化传热问题

董素艳等[16]通过特设的矩形截面吸气式风洞为实验装置，在矩形通道内放置了叉排的圆柱扰流柱排，对叉排圆柱扰流柱排换热实验段通道端面上的换热系数进行了详细测量，结果表明在扰流柱前的驻点附近和扰流柱后的尾迹区旋涡强湍流度高的区域，换热强化作用非常明显，在整个扰流柱排内换热强化系数平均在2.5以上，局部换热强化系数可达4以上，扰流柱排对其下游换热影响范围很大，在下游6 d处仍有1.5左右。该结论对实际应用具有一定的参考价值。吉洪湖等[17]对一个带有叉排圆柱阵列的矩形通道在旋转状态下的对流换热进行了初步的实验研究，实验结果表明，在雷诺数的实验范围内（12 000～45 000），在相同转动数Ro下，Re越大，换热系数增加得越多；旋转不仅增加了通道后表面的换热，也增加了前表面的换热，且换热随Ro的增加而增加；由于通道内叉排圆柱的影响，沿通道轴向换热系数是单调增加的。

Ryosuke Matsumoto、Shinzo Kikkawa等[18]利用热色液晶温度图谱显示了装有单个、单排、顺排和叉排圆形扰流柱群的矩形通道恒热流壁面局部对流换热系数的分布。当气流横掠单柱时，其尾迹区温度比较低，柱前缘有一个“U”形局部对流换热系数加强区。当气流横掠一排扰流柱时，柱后尾迹区的局部对流换热系数随着扰流柱间距的减小而增强。对于顺排扰流柱群，第一排和第二排柱周围的壁面对流换热系数加强区面积略小，但从第三排起，每个柱前缘出现了一个“U”形换热加强区。当扰流柱叉排时，由于气流的湍流度大于顺排的，其换热性能也强于顺排的。

3 强化传热技术研究方向展望

综上所述，通过对国内外文献的分析总结可以看出，对圆柱扰流强化传热技术影响的研究主要采用综合考虑传热和阻力损失的强化传热性能评价指标，基于最佳的强化传热效果应当以在最小的压力增加下得到最大的传热效果为原则基础，且最佳的强化传热效果与扰流柱形状特征和结构特征有着密切关系。但对其影响因素的研究大多是通过数值计算和实验模拟方法来研究的，对数学模型本身和模拟实验条件而言也有其不足和局限性。

由文献总结可以看出，目前，相关实验研究和理论研究成果并未涉及圆柱扰流强化传热技术在不同工况下的对比性实验研究，也未对其应用领域进行深入的了解、调查和研究，有针对性地解决存在问题的方法，阻碍了在实践中的推广应用。因此，对该方面问题进行深入实验研究和系统的概述对于总结和完善当前研究具有重要的意义。