钝体形状对无限宽平板内流换热的影响

徐鹏，蔡林

1海军驻大连船舶重工集团有限公司军事代表室，辽宁大连116005 2中国舰船研究设计中心，湖北武汉 430064

钝体形状对无限宽平板内流换热的影响

徐鹏1，蔡林2

1海军驻大连船舶重工集团有限公司军事代表室，辽宁大连116005 2中国舰船研究设计中心，湖北武汉 430064

利用计算流体力学（CFD）方法研究二维无限宽平板层流流动时钝体形状对平板强化换热的影响。建立并求解描述流场对流换热的二维Navier－Stokes方程组及能量方程，时间项采用二阶隐式离散格式。计算圆柱形、方柱形、三角形和折角形这4种典型结构对平板对流换热强化性能的影响规律。结果表明:采用三角形钝体结构时，平板的平均努塞尔数最大，流道内阻力系数也最大;流体绕过钝体后产生的大尺度涡脱落以及平板表面产生的二次涡是影响钝体强化平板对流换热的重要因素。

强化换热；钝体绕流；涡脱落；计算流体力学

0 引言

关于流体与平板在有限高度层流流动对流换热的研究有着重要的工程应用背景，例如，板式换热器中两个平板与流体的换热、翅片换热器中翅片与流体的换热，或者发热平面与流体的对流换热加热或冷却等。为了强化流体与平板之间的对流换热，工程上常用的方法有：增加平板粗糙度，或改用波纹形板、三角形折板等代替发热平板等。另在流场中加入钝体，使流体产生扰动也是一种有效的无源强化换热技术（Passive Techniques of Heat Transfer Enhancement），许多学者进行了这方面的研究。Valencia［1］研究了方柱对流体与通道壁面换热系数的影响，结果表明随着阻塞比和雷诺数的增加，方柱对换热的强化能力增强。Nakagawa等［2］对不同高宽比下矩形柱对平面内流换热的影响进行了研究，结果表明高宽比对平面换热系数的影响不可忽略。Tsutsui等［3］研究了前置小圆柱对横掠圆管对流换热的影响，当雷诺数Re=6.2×104时，前置小圆柱将局部努塞尔数Nu提高了40%。Yoon等［4］分析了二维有限高度内正方形钝体角度对强化换热性能的影响，并分析了不同钝体角度下钝体阻力系数、涡脱落频率的变化规律。

钝体强化有限高度平板间层流流动对流换热的机理［5］可以归结为：流体经过钝体后发生边界层分离，然后进一步发展成涡街，当大尺度的涡街与换热壁面相互作用后，会增强热边界层内冷、热流体的掺混，从而达到强化换热的目的，而此时用于强化换热而设置的钝体便被称作涡流发生器（Vortex Generator）。如果从场协同的理论出发，则强化机理可以归结为：带有涡街的流场增加了流体速度场与温度梯度的协同性［6-10］，在一定的速度及温度梯度下，减少两者间的夹角是强化传热的有效措施。以往学者对层流钝体绕流的试验和理论研究成果均表明，不同的钝体形状在相同的雷诺数下，涡脱落频率与分布均不同，因此钝体形状对有限高度平板对流换热的强化亦有所不同。本文将从平板内流对流换热二维单元出发，研究不同钝体形状对强化平板对流换热的影响。

1 计算模型与边界条件

1.1 计算模型与基本方程

定义下平板局部努塞尔数：

平板平均努塞尔数：

流动平均阻力系数：

式中：Δp为流道进、出口压差；L为流道长度；H为流道高度；ρ为流体密度；U0为进口速度。

图1 计算域结构示意图Fig.1 Computational domain of flow past square cylinder

对时间项采用二阶隐式格式，连续方程、能量方程采用QUICK格式，动量方程采用PRESTO！格式。

1.2 网格划分与数值验证

图2 计算域流场网格划分（钝体为方柱）Fig.2 Grid of computational domain（square cylinder）

2 计算结果分析

表1 不同钝体形状平均努塞尔数及阻力系数计算结果Tab.1 The calculation results ofand f for different cylinder types

表1 不同钝体形状平均努塞尔数及阻力系数计算结果Tab.1 The calculation results ofand f for different cylinder types

形状圆柱方柱折角三角----Nu 7.864 8.264 8.466 8.515 f 0.212 0.206 0.268 0.325

图3给出了不同钝体形状下平板表面的Nu分布。当流体绕过钝体后，会在钝体表面发生边界层分离并造成尾涡扩散，不同的钝体形状所产生的涡脱落分布不同，因此对平板附近流场所造成的扰动也不同，从而导致平板表面的Nu分布不同。由图3可看出，三角形钝体和折角钝体情况的 Nu 波动最大，波动幅度为 3.9～11.0。图 4 给出了距离平板0.2H处水平脉动速度时均值的分布情况。从中可以看出，在近钝体末端处（x=0 m附近）出现了水平脉动速度（URSM）峰值，其中三角形钝体结构的水平脉动最大值要高于其他结构。另外，折角结构的最大峰值位置相对于其他结构略靠后分布，并且数值低于三角形等其他结构。这是因为与三角形结构相比，折角结构尾部有空白区域，流体在折角钝体的两个折角边发生了分离，在折角边形成的空白区域内发生了尾涡的干扰和耗散（图5），并进行了速度合成，因此折角结构的水平脉动速度要略低于其他结构。图6给出了竖直方向脉动速度时均值VRSM的分布。对于三角形和折角结构，VRSM沿流动方向出现一个最大值后又出现了多个极值点，而对于方柱形结构，在方柱末端附近出现了多个极值点。随着流动的发展，VRSM逐渐变小。

图3 换热平板局部努塞尔数分布Fig.3 The Nuxdistribution along flow direction of heat exchange plate

图4 水平脉动速度分布（距平板0.2H）Fig.4 The URSMdistribution along flow direction（y=0.2H）

图5 三角形和折角结构瞬时速度分布对比图Fig.5 Velocity distribution of triangulars cylinder and rectangular angle

图6 竖直脉动速度分布（距平板高0.2H）Fig.6 The VRSMdistribution along flow direction（y=0.2H）

当流体绕过钝体后，除了由于钝体壁面边界层分离造成的涡脱落外，还存在平板表面边界层的二次涡脱落，该二次涡是导致近壁面处竖直方向速度脉动的直接原因。图7给出了不同钝体结构下的瞬时速度分布，从中可以看出，三角形钝体的二次涡脱落最明显，而竖直方向的速度脉动是影响流动热边界层热量交换的重要因素。综上所述，在流场中放置不同形状的钝体后，使得平板近壁面所产生的二次涡分布不同，这是造成平板换热性能差异的重要原因。

图7 不同钝体形状下流场内瞬时速度分布Fig.7 Velocity distribution of different cylinder types

3 结 语

本文利用计算流体力学方法研究了二维无限宽平板层流流动中，钝体形状对平板对流换热性能的影响。分别考虑了圆柱形、方柱形、三角形和折角形4种典型结构，分析了不同钝体结构下平板局部努塞尔数、平均努塞尔数、流场阻力系数，以及近壁面附近水平、竖直脉动速度分布的情况，结果表明，三角形结构对平板对流换热的强化能力最强，流道内阻力系数最大。流体绕过钝体后产生的大尺度涡脱落和平板表面产生的二次涡是影响钝体强化平板对流换热的重要因素。本文的研究可以为换热设备中涡流发生器的形状设计提供理论基础。

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Effects of Vortex Generator Type on Heat Transfer Enhancement in Infinite Size Channel Flow

XU Peng1，CAI Lin2

1 Naval Military Representative Office in Dalian Shipbuilding Industry Co.L td.Dalian 116005，China 2 China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

The inclined vortex generator type effects on the heat transfer enhancement in channel flow is numerically investigated in this paper.The 2D unsteadyNavier－Stokesand energy equations are solved，where the two-order implicit scheme is taken to be the temporal scheme，and the structures of square cylinders，circular cylinders，triangular cylinders，and triangular angle types are investigated.The results show that both the average Nusselt number and the friction coefficient reach maximum when the triangular cylinder is used.It is also concluded that the large scale vortex shed from the cylinder and secondary vortexes generated on the channel walls are key factors that enhance the heat transfer on walls.

heat transfer enhancement；flow through cylinder；vortex shedding；Computational Fluid Dynamics（CFD）

10.3969/j.issn.1673-3185.2014.02.013

http://www.cnki.net/kcms/doi/10.3969/j.issn.1673-3185.2014.02.013.html

TK124

A

1673－3185（2014）02－74－04

期刊网址：www.ship-research.com

2013－10－21 网络出版时间：2014-3-31 16:33

国家部委基金资助项目

徐鹏（1980－），男，工程师。研究方向：轮机工程。Email：mayue＠hotmail.com

蔡林（1985－），男，博士，工程师。研究方向：舰船动力装置。Email：cailin03313＠163.com

蔡林

［责任编辑：卢圣芳］