（工程热物理专业论文）lvg强化有限空间自然对流换热和强化管内强迫对流换热的研究.pdf

摘要 本实验是基于开发强化传热技术提出的，高效传热管广泛存在于工 业应用的换热设备中。本实验研究分成两部分，第一部分是纵向涡发生 器( l v g ) 强化有限空间自然对流换热的实验研究，第二部分是l v g 强 化管内强迫对流换热的实验研究。数值模拟方面，应用p h o e n i c s 软件 建立涡发生器强化换热的模型，对流场的流动结构作出了模拟计算。研 究证明，纵向涡发生器可有效地强化传热。 对l v g 强化有限空间竖直平板自然对流换热进行了实验研究。在 定的g r a s h o f 数范围内，直角三角翼纵向涡旋发生元的冲击角、翼高和翼 宽等几何参数是影响强化传热的主要因素，得出结论如下：l 、用l v g 强化换热，存在最佳攻角范围。本实验条件下，最佳攻角范围是3 0 0 一6 0 0 ； 2 、高宽比是l v g 的几何因子，在高宽比一定时，增加翼高可以增强换 热效果；3 、在元件数量，布置方式和其他条件相同的情况下，l v g 强化 换热的效果要优于矩形肋；4 、在两排布翟l v g 时，前排的l v g 产生的 纵向涡可以使后排l v g 的换热效果得到增强。 对l v g 强化管内强迫对流换热进行了实验研究和数值模拟计算。结 果表明：l 、在传热管道内壁设置一定数目的三角纵向涡发生器，产生的 涡偶能有效地强化传热；2 、尺寸适当而较大的涡发生器的强化传热效果 比尺寸较小的发生器好。如当r e = 4 5 0 0 时，布置3 号l v g 时比布置2 号 l v g 时换热增强了9 ；3 、布置两排纵向涡发生器时，强化换热的效果 要优于布罱一排时的情况。当r e = 5 5 0 0 时，布置两排时比布置一排时增 加了2 5 0 7 ：4 、实验中两种不同间距设置的l v g 强化换热效果从总体 上看，跨距的改变并没有使得换热系数有明显的改变。这个结果在一个 方面上说明了纵向涡在一个大范围内的稳定性，这种特性决定了它可以 很好地用于换热的强化应用。强化传热性能指标( n u n u o ) ，( f f o ) o ”， 可用a 表示，双排布置时可达1 3 。合理地布置涡发生器有着重要的意义。 管内布簧纵向涡发生器在过渡流范围内的强化换热效果较好，且阻 力不会增加很多，是一种十分有效的强化传热技术，可应用于过渡流区 管内为气体的换热设备。 关键词：纵向涡发生器强化传热有限空间数值模拟p h o e n ic s a b s t r a c t t h i s p a p e rs t u d i e d h e a ttr a n s f ere n h a n c e m e n t b yu s i n g l o n g i t u d i n a l v o r t e x g e n e r a t o r s ( l v g ) t h e r e ar et w o p a r t s i nt h i s p a p e r ，o n eo ft h e m i sa n e x p e r i m e n t a is t u d vo fh e a tt r a n s f e r e n h a n c e m e n tw i t hn a t ur a lc o n v e c t i o n b yi o n g i t u d i n a l v or t e x f ora v er t i c a l h e a t i n gp l a t e i nl i m i t e d s p a c e a n o t h e r e x p e r i m e n t a l s t u d y f o c u so nh e a ttr a n s f e re n h a n c e m e n tw i t hf o r c e dc o n v e c t i o n b y l o n g i t u d i n a l v or t e xf orac ir c l e p i p e b e s i d e se x p er i m e n t s ，w eu s e p h o e n i c st ob u i i ds i m u i a t i o nm o d e i s t h er e s u l t ss h o w e dt h a t i o n g i t u d i n a iv o r t e xg e n e r a t er sc o u i de n h a n c eh e a ttr a n s f erc o e f f i c i e n t e f f i c i e n t l y ，w h i c hc a nb ea p p l i e di n h e a te x c h a n g ed e v i c e s a ne x p e r i m e n t a s t u d yo fh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n tw i t hn a t ur e i c o n v e c t i o nb yl o n g i t u d i n a lv or t e xf orav er t i c a lh e a t i n gp l a t ei nl i m i t e d s p a c ew a sc a r r i e do u t i nt h ee x p e r i m e n t a i r a n g eo fg r a s h o fn u m b er t h ee f f e c to fa t t a c ka n g l e 。t h eh e i g h ta n dw i d t ho fw i n g l e tl v go nh e a t t r a n s f e rp e r f o r m a n c ear ee x p e r i m e n t a l l yi n v e s t i g a t e d t h er e s u l t sar e s h o w e db e i o w ：1 、t h er ei sab e s ta t t a c ka n g i ea r r a n g eo fl v g i nt h l s p a p e r ，t h e3 0 。一6 0 0a r r a n g e i st h eb e s t ：2 、t h er a t i ob e t w e e nt h e w i n g sh e i g h tt ot h ew i n g sw i d t hi s ag e o m e t r yg e n et ol v g w h e n t h i s r a t i oi sf i x e d ，i n cr e a s et h ew i n g sh e i g h tc a ni m pr o v et h eh e a ttr a n s f e r c o e f f i c i e n t ；3 、l v gh a sb e t t e rh e a ttr a n s f erc o e f f i c i e n tt h a nr e c t a n g l e r i b ：w h e nt w oa r r a y s o fl v gar e p l a c e d t h e fr e n tl v ga r r a y c a n s tr e n g t h e nh e a tt r a n s f e ro ft h eb a c kl v ga r r a y a n o t h e r e x p e r i m e n t a ls t u d y o fh e a tt r a n s f ere n h a n c e m e n tw i t h f or c e dc o n v e c t i o nb yl o n g i t u d i n a lv or t e xf orac ir c l ep i p ew a sc a r r i e d o u t t h em a i ne x p er i m e n t a lr e s u i t sar es u m m ar i z e da sf o l l o w i n g s i ti s a ne f f e c t i v ew a yt o a p p l yl o n g i t u d i n a l v or t e x g e n e r a t o r st oe n h a n c e h e a ttr a n s f er ap r o p er b i g g e rs i z ev o r t e xg e n e r a t o rc a nh a v eb e t t e r p e r f o r m a n c e so nh e a tt r a n s f e rt h a ns m a l l e rs i z eo n e w h e nr e = 5 5 0 0 ， t h ep e r c e n t a g e so f h e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n tf orm o d e il v g 2a n d m o d e il v g 3ar er e s p e c t i v e l y4 7 9 5 a n d5 7 0 2 t h ei a t t e ri sb e t t er t h a tt h ef or m e rb y9 t w or o w so fv or t e xg e n er a t o r sc a nb ea l w a y s i i m o r ee f f e c t i v et h a n a s i n g l e r o wc a s e w h e n r e = 5 5 0 0 ，t h e p er c e n t a g e so fh e a ttr a n s f e re n h a n t e m e n tf o ras i n g i er o wa n dd o u b i e r o w sa r er e s p e c t i v e l y4 4 4 6 a n d6 9 5 3 t h ei a t t e ri sb e t t ert h a nt h e f or m e r b y 2 5 0 7 w h e nl w or o w so fl v ga r em o u n t e d t h e h e a t t r a n s f ere n h a n c e m e n to fb i g g er s p a ni sb e t t e rt h a nt h a to fs m a l i ers p a n b u li ti sn o te v i d e n t t h i si n d i c a t e st h a t i o n g i t u d i n a i v or t e xc a nb e s t a b l ei na1 0 n gd i s t a n c e ，a n dt h i sc h ar a c t er i s t i cd e c i d e st h a tl v gc a n b ee f f i c i e n t l yu s e dt oe n h a n c eh e a ttr a n s f e r ( n u n u 0 ) ( f f o ) o 2 9 c a nb e u s e da sh e a ltr a n s f e re n h a n c e m e n tcr i t er i a i t sv a i u ei sa b o u t1 3w h e n t w or o w so fl v gar eu s e d t o d i s p o s e l v g pr o p er l y i so f g r e a t i m p o r t a n c e l o n g i t u d i n a lv o r t e xg e n er a t or sm o u n t e di nt u b ec a ne n h a n c eh e a t tr a n s f er e f f i c i e n t l y ，a n dt h e yc a nb ea p p l i e di n h e a te x c h a n g ed e v i c e s i n m a n yi n d u s t r i a if i e i d s k e y w o r d s ：l o n g i t u d i n a l v o r t i c e sg e n e r a t o r ；h e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t ； l i m i t e d s p a c e ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；p h o e n i c s 1 1 1 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进 行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容 外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作 品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：枞秒 日期：加绎月夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密圈。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 挡嗡杰 日期：加降月夕日 日期：b n p 年f 月，日 华南理工大学工学瑚士学位论义 主要符号 说明 换热面积 定压比热 x ，y ，z 方向的分速度 密度 导热系数 动力粘度 运动粘度 温度 管道直径 管道长度 阻力系数 l v g 翅片的底边长度 l v g 翅片的表面积 l v g 的攻角 平均来流速度 对流换热系数 进出口的压差 质量流量 体积流量 管壁换热量 雷诺数 普朗特数 努谢尔特数 进口 出口 壁面 流体 光管 单位 m 。 j ( k g k ) m s m 3 k g w ( m k ) p a s m 2 s oc m m m m m m m s w ( m 2 。c 1 p a k g h m ，h w 口丐 ，u o ： 。 标 引a唧p九 “。叭d l， 。b 万h p m q q n 卧 引； 。 w ，。 第一章绪论 1 1 研究的背景意义 第一章绪论 强化传热是上世纪6 0 年代蓬勃发展起来的一种改善传热性能的先进科学技术。几 十年来，强化传热的研究丰富、开拓了传热学的理论，并已经发展成为第二代传热技术。 强化传热在工业中有着极为广泛的应用，在能源的开发、利用和节约中起着重大的有时 甚至是关键性的作用。正因如此，强化传热学已经成为了现代热科学中一个十分引人注 目的研究领域。 近三十年来，各国工业的节能和开发新能源有了突飞猛进的发展。工业的发展、 节能以及新能源的开发工作都迫切需要装备尺寸小、重量轻和容量大的换热器。这一要 求只有通过采用强化传热技术增强换热器中的换热强度爿能达到目的。例如，有些强化 传热技术可以使换热器的换热强度增强十倍以上，从而使换热器的尺寸和重量大大减 少，并带来显著的经济效益。因此研究和开发强化传热技术对于国民经济的重要作用是 不言而喻的。管壳式换热器是一种应用广泛的设备，其主要的换热元件就是各种直径和 材料的管子。当前国内外有一种趋势是：通过管子形状或表面性质的改造来强化传热过 程，以提高换热器的效率。 工业中的换热设备广泛存在着各种传热问题。以动力工业中的火力发电厂为例，蒸 汽锅炉本身就是一个大型复杂的换热器，燃料在炉膛中燃烧生成的热量需要运用多种传 热方式，通过炉膛受热面、对流蒸发受热面、过热器及省煤器来加热工质，使工质汽化、 过热成为能输往汽轮机的符合要求的过热蒸汽。此外，在锅炉尾部还装有利用排出烟气 加热燃烧所需的空气预热器。在电厂的热力系统中还装有给水加热器、蒸汽凝结器、燃 油加热器等。在这些设备中也都存在各种各样的传热问题。换热器在上述各种工业中不 仅是保证工程设备正常运转的不可缺少的部件，而且在金属消耗、动力消耗和投资方面 在整个工程中占有重要份额。 研究开发的强化传热管多种多样，如在烟管式工业锅炉的烟管和其他类似管内以气 体为介质的换热器中，常用的是螺旋片式的扰流子，以及插翅片管等方法，取得了一些 有价值的成果，但是其阻力较大。本实验研究的是一种新型的纵向涡扰流子，研究其过 渡流范围内的强化换热和阻力特性。将纵向涡发生器安装于传热管道内，其研究成果和 理论可以广泛应用到各种换热设备中。 1 2 对流换热强化方法概述 由传热方程式可以知道： q = k f a t( 卜1 ) 强化传热可以从三种途径来实现，即提高传热系数，增加换热面积和增大平均传热 温差。 1 增加平均传热温差来强化传热 增加平均传热温差的方法有两种： ( 1 ) 冷热流体的进口和出口温度一定时，利用不同的换热面布置来改变平均温差 ( 2 ) 扩大冷、热流体进口的温差以增大平均传热温差。 因受着工艺条件的限制，其应用范围非常有限。 2 扩大换热面积以强化传热 ( i ) 采用小直径管子； ( 2 ) 采用各种肋片管、螺纹管等来扩展表面换热面( 肋片应加在换热器传热状况 较差的一侧，这种方法在含有气体介质传热过程中大量使用，并且取得了很好的强化传 热效果) 。 3 提高传热系数来强化换热 这是本文研究的重点，下面将详细介绍。管内流动时，靠近壁面流体速度近似为零 的低速区称为即层流底层，大部分的热阻集中在层流底层低速区。任何粗糙表面或强化 技术( 如螺旋内插物、线圈插入物和凸出物等) 都是用于破坏层流边界层从而达到提高 换热的目的。对于管中层流，其底层的无因次厚度为： v ：型垦鱼竺：5( 1 2 ) v t 。为光管中的剪切应力。热边界层厚度y 与管径d 之比为： 上= 2 5 r e - o 8 7 5 ( 卜3 ) d 若l t e = 3 0 0 0 ，d = 2 5 4 1 ，层流底层厚度y 为0 0 7 6 2 1 m 。因此，任何的粗糙表面和强化 措施都可以破坏层流底层，从而提高换热 1 。 1 2 1 强化传热的方式 2 第一章绪论 强化传热方式多样，分有源强化和无源强化技术。其中有源强化技术包括：利用机 械搅动加强流体和壁面间的换热；利用流体脉动和传热面振动加强换热；以及利用电磁 场作用强化换热等等。在有源强化技术中，除了需要通常的传热介质输送设备外，还需 要依靠外加的机械能、电磁能或者其他的动力，以便使流体产生旋转、振动和扰动。无 源强化技术不需要附加设备的附加动力，工作可靠，是目前应用最多的强化对流换热方 法。无源强化技包括处理表面、粗糙表面、发展表面、扰流装罱、涡流发生器、螺旋管 和扭曲管、添加物和射流冲击冷却等 2 。 1 2 2 强化措施和应用 尽管有许多强化技术被指出和实验过，但只有一小部分应用到换热器中。无源强化 技术便于制造，对很多应用场合都是经济有效的，可以应用于改造现有的设备。强化传 热技术与换热器的结构类型、材质等有很大的关系。表1 - 1 综合了目前已经用到和将可 能用到的强化传热的一些几何结构 1 。 表1 1 强化传热表面儿何结构的应用 t a b l 1dif f e r e n tt y p e so fs t r u c t u r e sf o rh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t 方式 类型商业化应_ j典型材料性能 强制对流沸腾冷凝 金属涂层有 2 a 1 ，c u ，钢高 整体翅片有 23 4 a i ，c u 高 波纹管轧槽管有 444a l ，c u 中等 整体粗糙度有 234c u ，钢高 内插金属线圈有 344任何中等 移何促进器有 244 任何中等 扭带内插物有 23 4 任何中等 注：1 普遍使用；2 。少用；3 某些特殊场合使j ! j ；4 基本上没有使用：一。表示不使用。 1 3 国内外管内强化传热综述 各种对流换热形式分为自然对流、强制对流层流、强制对流湍流、流动沸腾、凝结 和池内沸腾等。不同形式的强化传热技术针对性地适用于特定的对流换热形式。 采用螺旋槽管替代光管而制作的空预器，具有传热系数高、抗积灰性好等一系列优 点，投运后能改善锅炉燃烧条件、提高锅炉效率、延长使用寿命、减少维护工作量等； 一一 兰堕型三盔兰土兰竺：! ：堂些笙苎 但螺旋槽管空预器在运行中烟气阻力有所增加，因此在改造设计中，应对其结构参数进 行优化，尽量减少现场的改造工作量，以利于这项节能技术更好地得到推广应用。螺旋 槽管是6 0 年代中期发展起来的高效换热元件，它加工方便，在泵功耗不增加的情况下， 能显著地强化管内传热。这种换热元件通常起双面强化作用，尤其以强化管内单相流体 传热而著称。 横纹管是7 0 年代中期出现的一种高效换热元件。它加工简单，制造成本低，可在 泵功耗不增加的情况下，显著地强化管内流体的传热效果。因此在化工、石油化工、动 力及海水淡化等行业中引起了广泛的重视并越来越多地应用于工业中。横纹管是螺旋槽 管的螺旋角增加到9 0 0 时变成的。许多学者的研究表明，螺旋槽管的螺旋角接近9 0 。时 比螺旋角小的效果要好，也就是说横纹管的强化传热效果优于螺旋槽管。 波节型换热管取代管壳式换熟器的直管，明显地改进了原管壳式换热器的不足之 处，又保留了其优越的地方。在综合性能上有显著提高。例如：传热系数提高了3 4 倍， 不结垢，阻力减少卜2 倍，安全可靠、造价低廉等等，成为一种具有竞争力的换代产品。 波节型换热管的强化效果的机理是：由于断面的改变，在弧型( 梯形) 段前后的压力作 用下，发生了二次扰动，极大地破坏了边界层的热阻。另外直线段起着“积累”能量的 作用，是不可缺少的。两者互相促进，换热系数可提高3 4 倍 3 。 詹清流以空气为工作介质，分别进行了横向、纵向冲刷光滑管和花瓣状翅片管的实 验研究，采取可比的评价方法对花瓣状翅片管与光滑管进行了比较，认为花瓣状翅片管 具有较好的强化传热性能，其间断性翅片使气流的层流边界层还没有在翅片面上充分发 展起来就已分离，并且增加了湍流强度，大大减薄了气流边界层厚度，从而提高了给热 系数，并且冲刷流速越大越有利于发挥花瓣状翅片管的强化传热性能 4 。 花瓣形翅片管是采用无切削的机械加工而成，无应力的不良影响且能够承受较大的 工作压力，与低肋管相比，其最大的特点就是翅片从翅顶到翅根完全割裂开来，翅片构 成一个三角形。当流体从管外沿着管轴方向流动的时候，花瓣型翅片能激发流体产生强 烈的湍流，并且这种湍流能深入到翅片的根部，于是就能充分地破坏传热边界层，从而 显著地强化其传热的能力 5 。 庄礼贤等对整体型螺旋内翅片管作了研究和报道，它是以光滑管为毛坯，采用带芯 棒模具滚轧成型。六十年代中期到七十年代初期美国的h i l d i n g ，w e ，b e r g l e s ，a e ， 和w a d d n s o n 等人就对用内翅片管作单相流强化传热进行了研究，h i d l i n g 和b e r g l e s 分别以空气和水为介质进行实验研究，在泵功率相同条件下，得出内翅片管的管内给热 系数为光滑管的1 1 0 - 1 9 0 1 9 7 7 年美国c a n a v o s 等人用铸造的直翅片管来强化空气的 冷却过程，从他们的实验结果可知，传热系数的增加率近似等于内表面积的增加率，摩 擦系数的增加范围是表面积比平方的8 0 一1 0 0 ，即可以看出直翅片管对单相流体传热强 化是靠增加传热面积来完成的。8 0 年代初，日立电缆有限公司的研究表面，采用左右交 错式的螺旋内翅片管强化单相流体的传热可使管内给热系数提高到光管的2 8 左右。而 4 第一章绪论 更引人注目的是整体型内螺旋翅片管对流动沸腾和流动冷凝的强化作用 6 。 各种处理表面，利用机械加工、电化学腐蚀和烧结的金属丝网等方法，处理表面的 尺寸很小，目的并不在于扰动边界层，如果将传热表面处理成多孔性表面，增加了汽化 核心的数目和气泡脱离速度，用于增强液体沸腾或蒸发的传热过程；如果加工成锯齿形 表面，可促进凝结液的迅速排走以免凝结液增厚而增加蒸汽与传热面之间的热阻，用于 蒸汽强化凝结设备。将多孔金属表面和光滑表面沸腾传热作比较中可以看出，多孑l 表面 管能显著强化沸腾传热过程。在多孔表面强化沸腾传热过程中，多孔表面上有很多人工 汽化核心，在较小的温差下。就能够在液固界面上产生汽泡，使介质处于核状沸腾。而 光滑表面要达到核状沸腾则需要较高的温差。因此，这种表面多孔管特别适宜于在低温 条件下操作。在使用致冷剂换热过程，温差的减少，意味着冷冻机功率消耗的节省， 从而提高致冷系统的热力学效率。多孔表面层可大幅度提高传热性能，k 比光管提高 l 6 倍 7 。 t 形翅片管是由德国的w i e l a n d 公司于1 9 7 8 年开发的，这种管子可用来强化沸腾 传热。管子的外表面具有多条螺旋的t 形翅片，在翅片之间有一条0 2 - 0 2 5 m m 宽的缝 隙，下面是一条相对较宽的螺旋通道。t 形翅片管自开发以后，引起了许多研究者的兴 趣。s t e p h a n 等利用r 1 2 作为工质，研究了这种管型的强化机理并提出了被称作为“接 触长度增长假设”的传热机理。根据这种理论，汽泡在t 形翅片管的隧道的底部形成后， 然后沿着隧道上升，由于受到翅片的t 形顶端的限制，汽泡离开管表面的时间被延长了， 从而通道表面的传热被强化了。由实验结果可知，t 形翅片管的总沸腾给热系数是光管 的3 倍 8 。 在传热管段的入口处，安装旗形动态插入件，传热系数的增长幅度大于阻力增长幅 度，早在1 9 8 7 年，j l f e r n a n d e z 和r o b e r t p o u l t e r 提出旗形动态插入件强化传热， 在水平圆管的入口处，在一根直径0 1 m m 的立柱上接上一块矩形铜片，铜片随管内流体 的流动作拍翅运动，从而加强对流体的扰动，增强了换热，用水作载热介质，换热系数 增大1 2 倍时，流阻仅增长0 4 倍 9 。文献 1 0 1 2 系统研究了油类介质在内插不同形 状参数的旗形件管内传热和阻力特性，采用比矩形旗形件传热效果好的梯形旗形件，后 掠角和宽度是影响管内传热规律的决定因素，管入口处安装单个旗形件，研究发现在旗 形件后涡流扰动的范围为9 倍管径的距离，换热系数与光管之比a ao 最大可达1 8 ， 而阻力系数与光管之比f f 。仅为1 2 ，传热综合性能a 值为1 1 3 1 5 9 。如果在管内均 匀安装多个旗形件，在上述实验条件范围内，a no 高达4 1 ，而压降之比a p a p o 最高 只有3 4 ，传热综合性能a 达2 9 5 。旗形件不失为一种很好的强化换热技术，但是对于 长对传热管道，加工难度很大。 近年来的研究表明三维内肋管是与其他粗糙管相比是一种较好的传热管，将管内壁 加工成离散型的小四面锥体的类似形状，以一定的肋密度按顺排和错排的方式布满管内 壁，肋高只在2 岫之内，三维内肋管对于空气、水和其他一些液态介质都有很好的强化 传热效果，不仅在湍流状态下，在层流和过渡流范围内的传热也很显著。在相同泵功率 下，以空气为介质，三维内肋管与光管的换热量之比最高可达2 8 7 ，空气流在肋后形成 脱流，发展为涡流区，扰动边界层，肋密度越大，这样的涡流“爆发核”越多，强化传 热越显著。另外流体在肋问的加速和流体周期性的扩、缩流动造成的流体振荡，进一步 强化了传热 1 3 。在过渡流区，相同r e 下三维内肋管的n u 数是光管的3 1 4 0 倍，利 用三维内肋管设计空气预热器，与螺纹管空气预热器相比，减小了体积和总重量，但是 它的造价略高于螺纹管空气预热器 1 4 。 实际应用中还有其他一些无源强化传热技术，如与传热介质流动方向垂直的多排圆 形或椭圆形的扰流柱，一般横贯流动通道，也可从中间断开，常设置在高温物体内部冷 却的通道内，不仅对冷却介质的扰动起很大的作用，而且还可增加传热面积，常见应用 于燃气轮机高温涡轮叶片的尾部弦向冷却通道中。螺旋管和扭曲管都是将管段扭曲变 形，螺旋管时将管段围绕轴心线成一定角度弯曲成形，外形如弹簧，扭曲管是沿管长本 身扭曲的椭圆管，应用于换热器，流体在弯曲的流道中产生与主流方向垂直的二次流动， 有效了增强层流状态下的换热过程h 5 。 在大多数情况下，强化传热管的换热强化幅度比阻力增长速度小，阻力增长幅度小 于传热增长幅度的传热管更为有效，m e g e r i n 和b e r g l e s 等直径0 1 硼的不锈钢丝编制 成网式和刷式的多孔体内插物进行了管内换热强化的实验研究。换热强度提高了9 0 0 ( 网式) 和5 0 0 ( 刷式) ，但阻力系数却提高了6 0 倍，此时多孔体的空隙率为8 0 。 许多关于多孔介质内的换热研究结果指出，多孔介质引发的弥散效应能强化换热且与空 隙率、多孔体形状与尺寸以及通道的形状与尺寸等诸多因素有关。文献 1 6 ； 对多孔体插 入物管内换热进行了实验研究，水作为工质，编制的大空隙率( e 9 5 ) 的金属丝网作 为多孔体，则得到理想的强化传热效果，提出多孔体强化管内换热在r e = 1 0 4 左右，换 热系数的增长与阻力系数的增长量级相同，在更低的流速下，换热的增长幅度可以大于 阻力的增长幅度，此种强化传热技术开发成高效绕花丝式管壳式换热器，已在工程实际 中运行，比原有管壳式换热器的换热强化一倍到数倍，达到与板式换热器相当的水平。 近来，人们已经开始对复合强化传热技术进行研究。所谓复合强化传热技术，即两 种或两种以上的强化措施同时应用，以期获得更大传热强化效果的技术。复合强化传热 技术要求所采用的几种强化措施，能够配合默契以发挥其各自的特长，从而取得增强传 热的更好效果。随着强化传热技术的推广应用，许多换热设备改造设计中已采用这一技 术，根据强化措施的换热设备运行需要，有可能还需增加传热效果，而复合强化传热技 术则提供了解决这一问题的可能。 通过造成管内旋流及采用耜糙表面来实现管内换热强化是行之有效的技术，对于提 高换热器效率，节约能源有重要意义。螺旋槽管插入旋向相反的扭带是行之有效、效果 明显的复合强化技术。螺旋槽管内插入扭带时，在r e = 5 0 0 0 0 附近，相同输送功率、相 同换热面积下，换热量比光管提高了6 6 8 1 7 。 6 1 4 纵向涡强化换热机理 流体在管内流动时，在管截面温度分布和速度分布并不是均匀的，而是成抛物线的 形式分布。实验中的流体介质为空气，普朗特数p r 为0 7 左右，热边界层厚度大致等 于流动边界层的厚度。边界层的厚度越小，温度梯度越大，与壁面的换热量越大，强化 传热的效果就越好，通过减薄、破坏和分离边界层的方式能有效地强化换热，这是研究 各种形式管内强化换热的主要机理之一。气体粘性不高，很容易在管道的进口处就形成 湍流，流动核心区的速度场和温度场分布均匀，流动阻力和对流换热热阻主要存在于贴 壁的流体粘性底层中。 由流体力学知识可知，当流体横向流过个障碍物时，往往在障碍物的背面空问内 产生涡旋，这些涡旋并不一定是有益的和能被利用的。进一步的研究表明，如果障碍物 的横向尺寸有限，并且与来流的流体相交成合适的角度，则产生的涡旋将不会滞留于某 一空间内，而会随主流向前运动，从而形成系列有序的纵向涡旋。这些纵向涡旋的强 烈运动，促进了主流区与传热壁面附近的流体间的动量和能量的交换，强烈的气流扰动 对边界层起到减弱或破坏作用，因而使传热增强。这就是纵向涡旋发生和传热强化的基 本原理。在此基本理论指导下，我们将产生纵向涡旋的物体设计成合理的形状和尺寸。 纵向涡发生器有多种类型，典型的有三角形状、矩形形状的纵向涡发生器，可以参考图 卜1 。涡由流体的相互摩擦和流体分离而产生。由于真实流体总是有粘性的，因此流体 的运动总是含有涡运动的，一般特定的表面产生特定形式的涡。纵向涡发生器的类型很 多，根据国内外许多学者的大量理论和实验研究证明，三角翼( d w ) 、矩形翼( r w ) 、三 角翼对( d w p ) 、矩形翼对( r w p ) 是理想的纵向涡发生器。它们不仅制造和安装简单方 方便，而且强化换热效果明显。本实验的研究对象为三角形的纵向涡发生器。 幺，易一 o0 直角三罱置梯彤翼 矩j 酷丑斟靛圆柱体辩鼓精瞬窿体 图1 - 1 涡流发生器形状示意图 f i g l 一1s h a p e so fl v g 当壁面附近的流体流过具有一定攻角的涡流发生器时，由于发生器上下的压力差会 导致流体在发生器前缘的边界层发生分离，并且在分离区形成纵向涡旋。当攻角过大时， 纵向涡会趋向不稳定而导致破裂。另外。在发生器的后缘，由于压力的急剧上升会诱发 流体的分离而产生回流区。分离的流体在大约5 8 倍发生器高度的位置又会重新接触， 华南理工大学t 学硕十学位论文 边界层继续发展。边界层的分离所形成的旋涡与流体剪切层的相互作用致使流体湍流度 的增强，而且分离的流体与壁面重新接触，效果就像一股射流冲击在表面上，使邻近的 流体换热强度得到提高。 旋流与一般流体流场的结构不同，它不但具有轴向速度分量，还具有切向速度分量。 管内有旋流时切向速度的分布有其自身的规律，即在靠近壁面区域，切向速度反而随 着径向距离增大而降低。离壁面稍远的地方，流体因为受到较大离心力的作用而向壁面 移动。因此，在靠近壁面的流体中，离心力的作用使得流体湍流加强，因而减小了层流 底层的热阻，对管内的强化换热有利。从分子运动角度分析，旋流离心力也加强了分子 的扩散作用，使得流体换热增强。从涡的强度上看，在涡发生器处，流体的旋转流场强 度最大，之后沿流动的方向逐渐衰减。 流体在掠过纵向涡发生器后产生了纵向旋涡，继续向下游流动，一段范围内存在。 单个三角涡发生器后形成一个纵向旋涡，如图1 2 所示，它是不同于核心流流动的二 次流动，这个纵向涡二次流有一个明显的旋转中心，二次流的合成速度围绕旋转中心旋 转，在纵向旋涡的径向方向上随半径的增大而增大，之后又随半径的增大而减小，旋涡 沿着主流方向半径逐渐增大，但旋涡的强度逐渐减弱，由于流体粘性的存在使二次流在 质量传递过程中发生能量耗散，导致了纵向旋涡在沿主流方向上产生了衰减。纵向旋涡 旋转可使贴近壁面的流体速度增加，其轴向流速远高于自由流的速度，而且在轴线的很 大范围内保持着高速，纵向涡的产生改变了原先主流流场的流动结构。把一对三角纵向 涡发生器沿主流方向轴对称放置在壁面上，当流体掠过时会产生一对纵向涡，即纵向涡 偶，如图1 3 所示，合成速度分布特性与单涡相似，沿下游主流流动方向，旋涡的半 径逐渐增大，涡偶之间的距离逐渐变宽，但在两个相邻的纵向涡之间，产生的二次流速 度同向，指向壁面，叠加而成的二次流速度比单个纵向旋涡要高，因此在两涡交界处的 法向速度梯度为零，涡偶的粘性耗散比单涡小，对流体流动结构的影响比单个纵向涡大， 而且涡偶比单个旋涡衰减缓慢，可在纵向上持续较长的距离，并对传热产生较大的影响。 一对纵向涡发生器产生的涡偶比单个纵向涡产生的单涡的强化换热效果要好。 , t t t l ，一、- - - 蜮 “、l ii ”，。” 、 幽1 2 单涡速度矢量图 f i g l 一2v e l o c i t yv e c t o ro fv o r t e x 8 ，一_ 、 、，一， - ， 、。 图l 一3 满偶速度矢最图 f i g i - 3 v e l o c i t yv e c t o r o f ap a i r v o r i e x e s 第一章绪论 涡偶强化换热的效果优于单涡的原因在于：虽然它们都可以在发生器后产生垂直 于流向的二次流，并且二次流存在一个明显的旋转中心，都可以在通道的上下壁面近壁 区形成明显的上洗区和下洗区。但是仔细分析各自的流场，可以看出涡偶在相邻的两个 涡旋之间，由于它们产生的二次流速度同向，指向下壁面，而单涡相互之间却没有共同 的上下洗区。因此涡偶所叠加形成的二次流速度比单个涡旋时要高，对通道内结构的影 响要比单个涡旋相加还要大一些，结果使剪切层进一步变薄。 从粘性流体力学的知识可以知道，一个在涡旋所诱导的流体流动，在主流不断供 给能量和粘性的诱发影响下形成了一个新的旋涡。这种再生性使得涡旋得以向下游发 展。在粘性流体中，由于粘性的作用，旋涡强的地方将向下游涡旋弱的地方输送涡旋， 直到涡旋强度相等为止，出现涡旋扩散的现象。同样也是由于粘性，它会导致耗散作用， 流向涡的持续力被展向剪切力减弱，随着涡的发展，涡环量、二次涡旋速度下降，核心 半径增大，缓慢离开壁面，破碎耗散并消失，涡的这种延展分离引起边界层增厚。雷诺 数r e 也是影响涡旋发展的一个重要因素。随着雷诺数的增大，涡的强度也会增大，这 是因为雷诺数的增加使得边界层厚度降低，致使分离区的流动涡旋强度增加。 纵向涡发生器后在纵向涡产生区域，各质点有三个速度分量“、v 、w ，沿来流方 向的轴向速度叫吏纵向涡向下游漂移，与来流方向垂直的纵向涡截面上v 、w 为纵向涡 质点速度分量，纵向涡漂移的区域内，某一截面上速度场大小可用涡量和速度环量表示， 涡量大小见式( 1 4 ) 。 卟c 軎一。，删 速度环量大小见式( 1 5 ) 。 f = 4 ( v d y + w d z ) ，亡、 速度环量反映了纵向旋涡强度的大小。 1 5 近期对流体涡旋的研究状况 由于纵向涡与湍流边界层的相互作用在实际传热与流动过程中广泛存在，因此，国 内外学者对此问题作了许多研究。测试手段方面，流动特性研究采甩可视化观测( 拍摄) 或激光测试，传热强化研究采用常规热工仪表。研究结果表明，纵向涡的产生和具体结 构与发生器的关系很大，不同形式的发生器布置可以产生形态各异的涡旋流动，而不同 涡旋流动对于换热的影响有很大的差异性。因此，如何根据涡旋和发生器布置之间的关 系适当地选择合适的发生器布置就显得十分重要。 国外一些研究人员对矩形通道安装纵向涡发生器( l v g ) 后的流场和温度场进行了 大量的实验，得到了安装纵向涡发生器后的涡旋结构并测量了相应点的温度，发现换热 9 华南理工人学工学硕士学位论文 系数有很大提高 1 8 。e i b e c k ，e a t o n 和p a u l e y 等对纵向涡发生器嵌入单侧壁面边界层 的传热效果作了研究，认为涡旋改变了复杂的三维流动湍流度特性和近壁的边界层结 构，可有效地提商传热效率，是一种比较优良的强化换热方式。纵向涡在尾迹区带动下 游流体旋转冲刷壁面，并驱动流体从四周流向中心，破坏了热边界层的发展，提高了换 热系数；并且在一定的压力梯度下，纵向涡可以很稳定并延伸至很远的下游区域。 英国的x i nz h a n g 和m i c h a e ly c 0 1 1 i n s 对湍流边界层中，矩形射流所产生的纵 向涡旋进行了流动分离控制研究 1 9 。在实验中，一个倾斜的矩形射流与一个两维的平 面湍流边界层相互作用，形成基本的流场。实验结果表明：a 当一个矩形射流与主流倾 斜一定角度时。会产生一个纵向涡旋；b 旋涡使得动量在横向和纵向都发生交换；e 晟 大涡旋出现在涡核下方；d 在边界层的纵向涡旋中观察到一个低速涡核；e 在p i t c h 角 在3 0 - 4 5 0 之间时，边界层内产生纵向涡旋；f 当p i t c h 角超过6 0 0 ，矩形射流刺破边界 层，在边界层之外产生纵向涡旋，从而在湍流边界层中产生很小的扰动。 e d w a r d 和a l k c r 研究了不同形状和尺寸的l v g 2 0 。发现l v g 的形状、尺寸、自j 距以及纵向涡的相对旋转方向对换热效果有很大的影响，逆向旋转的涡比同向旋转的涡 换热效果好。 b i s w a s 等研究了通道内布置翅形( w i n gt y p e ) 涡流发生器的换热特性 2 h 。发现翅 形的几何参数是决定传热和流阻的主要因素。当r e = 5 0 0 时，布置了翅形涡流发生器 后，当涡流发生器的攻角为2 0 0 时，出口处的平均换热系数增强了约1 0 6 ；当攻角变 为3 0 。时，则增加了2 6 4 2 。r e 数对传热的影响也很明显，高r e 数意味着传质的加强， 因此也强化了传热，在出口处，当r e 数由5 0 0 增大到1 8 1 5 时，n u 数增加了约9 8 3 8 y c h e n 等人对纵向涡发生器强化带有翅片的椭圆管换热的情况进行了数值模拟的 研究 2 2 。发现在多排的纵向涡发生器组中，后排发生器后的纵向涡比前排后的纵向涡 要强烈，这是由于前排和后排产生的纵向涡叠加的结果。顺流布置的发生器比逆流布置 的发生器换热效果好。 t i g g i l b e c k 等人研究了布置顺列双排对称三角翼l v g 的流场及其强化换热效果 2 3 。 结果表明流场结构、涡旋数量和涡旋纵向发展情况与来流性质无关，而且第二排后的局 部换热强化比第一排显著。对于双排l v g ，当r e 数为5 6 0 0 时，总的换热系数增大了 7 7 。 宋宪耕等对矩形通道湍流附面层内嵌入纵向涡偶强化换热机理做出了实验研究。研 究表明：( 1 ) 矩形通道湍流附面层内嵌入半三角翼涡流发生器，能有效地产生旋涡分离 流，从而改变了近壁处流场结构。理想的涡流发生器组