鱼鳍型涡发生器强化管翅式换热器传热

摘""""""要："提出了一种鱼鳍型涡发生器，并将其应用在管翅式换热器中强化传热。采用数值模拟方法研究了鱼鳍型涡发生器安装方式对换热器中流体流动和传热的影响，分析了流体流经涡发生器前后的压力变化。结果表明：涡发生器以common-flow-up方式安装在圆管下游时传热j因子提高了46.6%，摩擦因子提高了24.4%，与以common-flow-down方式安装于圆管上游相比，圆管后方的负压区更小，流动阻力更小，冷热流体的混合效果更好，因而具有更好的强化传热效果。

关""键""词：管翅式换热器；"鱼鳍型涡发生器；"强化传热

中图分类号：TK124"""""""文献标志码： A """""文章编号："1004-0935（2024）07-1117-05

管翅式换热器是一种紧凑型换热器，广泛应用于供暖、空调、制冷及石油化工等工业领域中。涡发生器作为一种被动强化传热技术，在增强传热的同时，也会产生相应的压力损失。优化涡发生器结构和安装方式，进一步降低强化传热时的阻力损失是近年来强化传热领域的研究热点之一^[1]。

在矩形翼和三角翼2种常见的涡发生器基础上，新型涡发生器不断被开发出来。MIN等^[2]提出了一种切去4个角的新型矩形翼涡发生器。这种新型矩形翼涡发生器可以产生更强的纵向涡，从而达到更高的强化传热效果。张丽等^[3-5]提出一种流线型涡发生器，并将其应用于螺旋管道的强化传热中。与未安装涡发生器的换热器相比，换热系数提高了46%，与三角形涡发生器相比，摩擦因子降低了21%，速度场和压力场的协同性更好。

除涡发生器的类型外，涡发生器的安装方式也对其强化传热效果产生影响。根据文献报道，三角翼涡发生器的传热性能随攻角的增大而提高^[6-8]。何雅玲等^[9]优化了管翅式换热器中矩形翼涡发生器的安装参数，研究发现放置3对矩形翼涡发生器的管翅式换热器具有最好的传热性能。LEI等^[10]发现三角翼涡发生器的纵横比为2、攻角为20°时，具有最好的传热性能。雷永刚等^[11]发现侧置三角翼涡发生器在顺排和叉排管翅式换热器中都可以具有良好的强化传热效果。楚攀等^[12]发现，在Re=500～2"500时，以common-flow-down方式安装于换热管下游的攻角为30°的三角翼涡发生器表现出最好的综合性能。唐凌虹等^[13]发现涡发生器高度和长度显著影响管翅式换热器的传热效果。SAMADIFAR等^[14]发现涡发生器的高度越高，强化传热效果越好。

提出了一种新型纵向涡发生器——鱼鳍型涡发生器，即在三角形涡发生器的基础上切去后面一个直角三角形，将三角形上尖角变成流线型弯角，从而减小其强化传热时的流动阻力。考察了其在管翅式换热器中的安装方式对流体流动和传热的影响，分析了流体在涡发生器前后的压力分布。

1 "模型描述

管翅式换热器如图1所示。换热器由2排换热管和翅片组成，换热管以交叉的方式进行排列。由于管翅式换热器具有宽度方向上的对称结构和高度方向上的周期性结构，因此可以选择其中一部分流体进行研究，以减小数值模拟计算的复杂度。

鱼鳍型涡发生器以2种方式进行安装，即以common-flow-down方式安装在圆管上游和以common-flow-up形式安装在圆管下游。图2为涡发生器以上述2种方式进行安装时的平面相对尺寸。涡发生器的具体参数如图3所示，涡发生器攻角为20°，涡发生器厚度为0.2"mm。

为使流体流动充分发展并保证出口无回流，计算域分为上游延长区、传热区和下游延长区，如"""图4所示。上游延长区长度为传热区的1倍，下游延长区长度为传热区的5倍。

以空气为工质，描述连续稳态不可压缩流体流动与传热的控制方程为连续性方程、动量方程和能量方程，如式（1）至式（3）所示。

在传热区，上下壁面为无滑移、温度周期性边界条件，侧面为对称边界条件，圆管和上下壁面为恒定温度边界条件。延长区域的上下壁面均为无滑移、绝热边界条件，侧面均为对称边界条件。进口条件为速度进口，进口速度为0.53～2.3 m·s^-1，出口条件为自由流出口。

压力和速度的求解采用SIMPLE耦合算法，动量方程和能量方程采用QUICK格式进行离散，连续性方程、动量方程和能量方程的收敛残差分别为10^-4、10^-4和10^-8。

2 "计算网格与数据处理

2.1 "计算网格

计算域采用多面体网格进行划分，为提高模拟结果的准确性，对涡发生器和壁面进行加密处理。网格划分情况如图5所示。

采用数量分别为11"000 （GridⅠ）、20"000 （GridⅡ）和32"000 （GridⅢ）3套网格进行数值模拟计算，计算结果如图6所示。GridⅠ和GridⅡ之间传热j因子的平均偏差为6.4%，GridⅡ和GridⅢ之间传热j因子的平均偏差为3.9%；GridⅠ和GridⅡ之间压降的平均偏差为1.7%，GridⅡ和Grid"Ⅲ之间压降的平均偏差为2.1%。由于GridⅡ和Grid"Ⅲ的计算结果偏差较小，为节约计算资源，选择数量为20"000的网格（GridⅡ）进行数值计算。

2.2 "数据处理

总的换热量、平均温差和传热系数的计算公式如式（4）至式（6）所示。

式中：—流体的平均质量流量；

Q—总传热量；

T_i—进口的温度；

T_o—出口的温度；

T_w—壁面温度；

A_total—总的传热面积。

Nu和Re的计算公式如式（7）、式（8）所示。

式中：D_h—水力直径，取管翅式换热器中的圆管外径作为水力直径；

λ—导热系数；

ρ—流体的密度；

u_m—最小截面处速度；

μ—黏性系数。

传热j因子、摩擦因子f和压降计算公式如"""式（9）至式（11）所示。

式中：A_c—最小截面面积；

A₀—总的传热面积；

—传热区进口压强；

—传热区出口压强。

2.3 "计算结果可靠性验证

为了保证数值计算结果的准确性，验证了文献[10]管翅式换热器模型，与文献[10]结果进行了对比，如图7所示。由图7可知，传热j的平均偏差为3.5%，摩擦因子的平均偏差为3.7%。这些数据表明所采用的数值模拟方法是可靠的。

3 "结果与讨论

图8和图9为Re"=500～3"000、攻角为20°、鱼鳍型涡发生器以common-flow-down方式安装在圆管上游和以common-flow-up方式安装在圆管下游时，管翅式换热器的传热j因子和摩擦因子随Re的变化情况，并与未安装涡发生器的管翅式换热器进行了对比。

由图8可以看出，管翅式换热器的传热j因子随Re增大而减小，安装鱼鳍型涡发生器的换热器的传热j因子均高于未安装涡发生器的传热j因子。由图9可以看出，管翅式换热器的摩擦因子f随Re增大而减小。安装鱼鳍型涡发生器的换热器的摩擦因子均高于未安装涡发生器的摩擦因子。这说明鱼鳍型涡发生器在强化传热同时产生了额外的流动阻力。与未安装涡发生器时的摩擦因子相比，以common-flow-down方式安装在圆管上游时的摩擦因子高出29.3%，以common-flow-up方式安装在圆管下游时的高出24.4%。因此鱼鳍型涡发生器以common-flow-up方式安装在圆管下游时所产生的流动阻力更小。

图10为鱼鳍型涡发生器以2种安装方式强化管翅式换热器传热时的综合强化因子（j/f）随Re的变化曲线。由图10可以看出，涡发生器以2种不同方式安装时，综合强化因子随Re增大而减小，以common-flow-up安装在圆管下游时的综合强化因子高于未安装涡发生器的管翅式换热器，也高于以common-flow-down方式安装在圆管上游时。以common-flow-down方式安装在圆管上游时的综合强化因子在Relt;2"400时，高于未安装涡发生器的综合强化因子；在Re≥2"400时，低于未安装涡发生器的综合强化因子。这说明以common-flow-up安装在圆管下游时的鱼鳍型涡发生器具有更高的综合强化传热性能和更宽的雷诺数应用范围。

图11为不同安装方式、Re=1"800时，流体流过鱼鳍型涡发生器时的压力分布图。由图11可见，涡发生器以common-flow-up方式安装在圆管下游时，第二排圆管后方的负压区更小，流体流经时产生的压差阻力更小，这与图9以common-flow-up方式安装在圆管下游时换热器具有较低的流动阻力一致。

4 "结"论

采用数值模拟方法研究了其安装方式对管翅式换热器中流体流动和传热性能的影响，得到了不同Re时的传热j因子和摩擦因子f。采用综合强化因子j/f对鱼鳍型涡发生器不同安装方式进行了评价。主要结论如下：

1）鱼鳍型涡发生器可以有效提高管翅式换热器的传热性能。与未安装涡发生器的换热器相比，以common-flow-down方式安装在圆管上游和以common-flow-up方式安装在圆管下游时，传热j因子分别提高40.7%和46.6%。

2）采用鱼鳍型涡发生器强化管翅式换热器传热时，流体流动阻力增加。与未安装涡发生器的换热器相比，以common-flow-down方式安装在圆管上游和以common-flow-up方式安装在圆管下游时，摩擦因子分别增加29.3%和24.4%。

3）鱼鳍型涡发生器以common-flow-up方式安装在圆管下游时的综合强化因子高于以common-flow-down方式安装在圆管上游时的综合强化因子，也高于未安装涡发生器时的综合强化因子。该种安装方式具有更好的综合强化性能和更宽的Re应用范围。

4）鱼鳍型涡发生器以common-flow-up方式安装在圆管下游时，流体流过时产生的负压区较小，因此产生的压差阻力更小，这是该种安装方式的综合强化性能较高的原因。

参考文献：

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Heat Transfer Enhancement in Fin-and-Tube"Heat Exchanger

by"Fish Fin-Shaped Vortex Generator

ZHANG Pengcheng ZHANG Li LI Yaxia FENG Ying ZHANG Jing

（a.School"of Mechanical and Power Engineering; b. School of Chemical Engineering， Shenyang University of Chemical Technology， Shenyang Liaoning"110142， China）

Abstract："A"fish fin-shaped vortex generator was proposed and applied to heat transfer enhancement of fin-and-tube heat exchanger. The effects of vortex generator installation on flow and heat transfer in heat exchangers were studied using numerical simulation methods， and the pressure changes before and after the fluid flow through the vortex generator were analyzed. The results showed"that when the vortex generator was installed downstream of the circular tube in a common-flow-up manner， the heat transfer j"factor increased by 46.6%， and the friction factor increased by 24.4%. Compared with installing the vortex generator in a common-flow-down configuration upstream of a circular tube， installing it in a common-flow-up configuration downstream of the tube resulted in a smaller negative pressure zone behind the tube， lower flow resistance， and the mixing effect of hot and cold fluids was better， so it had a better enhanced heat transfer effect.

Key words："Fin-and-tube heat exchanger; Fish fin-shaped vortex generator; Enhanced heat transfer