带有纵向涡发生器的翅片管的流动与传热数值研究

1、1.前言 翅片管换热器在制冷、化工、汽车等工业领域应用广泛。强化翅片管换热器空气侧的换热一直以来是该领域的研究重点。 发展边界层、形成涡流、增加扰动是常用的增强换热手段，纵向涡发生器(以下简称LVGs)同时满足以上三种强化传热的机理。另一方面，LVGs便于加工的特点使得其在近十年来得到的研究和应用越来越多。1.1 历史上对纵向涡的研究 Jacobi、Sommers、Leu、Torri等人通过数值、实验对纵向涡进行了深入的研究。 方向：不同的侵入角，不同的放置方式，不同的的管排数以及顺排和叉排的管路排列。历史上对纵向涡的研究 结论：当小翼处于管下游，侵入角为30，而且管排数最小的时候可以获得最大

2、的换热增加 在空气侧Re数处于5001300的时候，采用了涡发生器可以使得空气侧的热阻下降3542。 放置于叉排管后列的小翼可以使得传热增加3010，压力损失减少5534。历史上对纵向涡的研究 武俊梅和陶文铨对一个带有LVGs的三排管的翅片管换热器进行了数值研究并用场协同理论进行了分析。历史上对纵向涡的研究 文章认为，从换热的角度考虑，冲角为45的三角形小翼好于冲角为30 的三角形小翼，三角形小翼在顺排式翅片管换热器中的强化效果好于叉排。历史上对纵向涡的研究 前文所提到的三角形小翼和其他的几种常用的LVGs如图1所示。1.2 本文研究内容 本文将针对带有矩形小翼、叉排、管排数为4的翅片管换热器

3、进行研究，以期得到相关的流动和换热数据，为该类型的翅片管设计积累经验。2.计算方法 Re数(基于迎面风速和翅片间距的两倍)在2 000以下。 流动处于层流状态。 所用控制方程包括三维、稳态、常物性的连续性方程、动量方程、无内热源的能量方程。 圆管材料为铜，翅片材料为铝。本文采用商用CFD软件FLUENT计算。2.1 计算区域和边界条件 所计算的LVGs的翅片管换热器的结构示意图如图2所示。矩形小翼放置在每个圆管的侧后方。由于对称性，选择如图剖面线部分作为计算区域。进口为速度进口，温度均匀分布，横向速度为0。计算区域和边界条件 出口为自由流出口，为了防止回流出现，实际计算中出口区域作了一定的延长

4、。翅片壁面为无滑移绝热边界条件，前后管壁区为无滑移恒温壁边界条件，流体区域的上、下面为对称边界条件。计算区域和边界条件 计算数据如下表所示2.2 网格划分 本文采用商业软件FLUENT进行计算。网格划分如图3所示，采用非结构化的六面体网格，管壁和LVGs附近网格加密。经独立化检验后计算网格数为48 037(a=45)。3. 计算结果与分析 31 纵向涡对于换热和压降的影响纵向涡对于换热和压降的影响 从模拟结果可以看出，加了LVGs后，换热系数有显著提高，对于不同的进风风速，增加值在10.4%24.6%之间，并且随着进口风速的增大，换热系数增加的幅度更大。与此同时，如图5所示，压降的增加也很明显

5、，不同的进口风速带来的压降增加在30.5 % 57.2%范围内。对于普通平直翅片而言，空气阻力主要来自圆管的形状阻力和翅片管的表面摩擦力，加入LVGs之后，LVGs本身带来的一定的形状阻力导致总的压降增加明显。32 不同冲角的影响 为了研究不同冲角(即图2(c)所示的a值)对传热和流动的影响，本部分将对三种不同冲角的LVGs(30、45 、60 )放置在圆管下缘的计算结果进行讨论。不同冲角的影响 如图6所示，对于三种不同的冲角，Nu数随着Re的增加都呈上升趋势。不同冲角的影响 对于不同的Re而言，在冲角为30时，Nu值最大，45 时有所下降，60 时则最小。一般来说，纵向涡产生的同时还伴随横向

6、涡的发生，很明显，如果冲角越大，横向涡的效应就越大，这从图7中可以更明显地看出来。不同冲角的影响 图7给出了相同Re数下不同的流线图，对于30 冲角而言，LVGs后的横向涡不太明显，而60 时可以清晰看出LVGs后有明显的横向涡。横向涡不会像纵向涡那样带来三维的旋流从而导致换热大幅增加。不同冲角的影响 矩形小翼的LVGs在产生纵向涡的同时对空气来流有一定的阻挡和引导作用。这从图8中可以看出。LVGs的存在一方面使得空气来流在圆管后缘与圆管分离时产生了滞后，另一方面使得空气更大面积地流向下一排管的前缘。若没有LVGs,圆管后面的尾涡清晰可见,对于翅片管的换热而言，这一尾涡区域是不希望被看到的。不同冲角的影响 对三种不同的冲角(见图8)的比较来看，温度分布的整体趋势基本一致。随着管排数的增加，空气温度值依次降低。较高温度分布的区域随着角度的增加依次降低。冲角为60时，仅靠着LVGs下游的低温区域面积最大，LVGs下游的圆管管壁处的温度值与另两个角度相差不大。从总体效果来看，加入LVG。后翅片中心面的温度分布都得到了较好的改善，而冲角为30 时对于换热的改善最好。4. 结论(1)与不带LVGs相比，相同尺寸的翅片管换热器，矩形小翼可以提高管翅表面的换热特性。冲角为45时，可以提高换热系数达到10.4%246%。(2)对于不同冲角的矩