异型涡流发生器的数值分析

湖北工程学院物理与电子信息工程学院 徐 鹏

1 引言

主动换热和被动换热是目前常用的两种强化换热技术。需由外部独立能量来维持物体换热的这种现象称为主动强化换热，喷射、震动、搅拌等都属于这一类换热[1][2]。此外，通过改变换热装置结构物性来达到提高换热能力的这种方法称之为被动强化换热，比如纳米流体，涡流发生器，粗糙表明，扩展表面，螺旋管，表面张力装置，位移式强化装置等都属于这一类型。被动强化传热技术由于其自身的特点，并不需要消耗外界额外的能量，应此使用更为广泛。正如涡流发生器强化换热正是这种技术的一种代表应用。通常涡流发生器是通过各种不同的工艺加装在换热器翅片上，为纵涡的产生提供必要的条件，这种纵涡通常为马蹄形。按照涡流发生器的外部形状来分，一般可以分为体型和翼型两种。例如体型涡流发生器包括球体、圆锥体、立方体、圆柱体等形状[4]。

2 物理模型

通过对业界各种形状的涡流发生器的比较，本文提出了一种新型的梯形小翼涡流发生器，具体的物理模型见图1，尺寸单位为mm。

图1 梯形小翼涡流发生器尺寸

3 控制方程

由于我们采用商业软件进行本次的数值计算，软件中主要用到的是Navier-Stokes方程，它经典的牛顿第二定理应用到流体流动的分析中。用偏微分方程分别定义质量、能量和动量守恒。我们假定本次计算的流体是不可压缩形式，同时流体处于稳定状态。由于本次计算并没有额外物理场的影响，这里采用标准的Navier-Stokes方程[5]。

4 性能评价标准

合理的强化换热技术综合性能指标(PEC)是促进强化换热技术发展的重要因素。它能实现不同强化换热设备之间定性的比较。依据压强损失与速度平方正相关的关系，本文以为评价指标。当此指标值大于1时，可以认为在出入口压强损失相同的情况下，优化后的基于强化换热的换热器其换热量高于基准换热器[6]。

5 分析与讨论

通过数值计算，我们可以得到当雷诺数从600上升到1600的过程中，努塞尔数大约从21下降到了13，同时摩擦因子从0.04上升到了0.09。说明随着雷诺数的增加，换热效果有所提升，但代价是需要耗散更多的外界能量。从另外一个角度来解释即梯形小翼的存在，促进了纵向涡旋的形成，为冷、热气流的充分交换提供了保证，有助于散热器换热性能的提升。为了得到其综合的换热效果，本文对其综合换热效果进行了评价即上述的PEC。如图2所示，从图中可以看出，当雷诺数小于1200时，涡流发生器的PEC随Re有一个缓慢上升的过程，并在Re等于1200时达到峰值，当雷诺数大于1200时，由于梯形结构尺寸的限制，其综合换热因子极具下降，下降速度远大于上升速度，也就是说此种类型的涡流发生器更适合布置在低雷诺数气体条件下。

图2 PEC随Re变化曲线

6 结论

本文采用数值计算的方法对一种异形涡流发生器的结构进行了分析，分析结果表明采用此种结构的涡流发生器的综合性能评价指标PEC存在一个最优工作区间，即雷诺数小于1200时，PEC变化相对缓慢，说明此种类型的涡流发生器更适合的工作条件是雷诺数小于1200。

[1]E．I．Nesis,A．F．Shatalov,N．P．Karmatskii．Dependence of the heat transfer coefficient on the vibration amplitude and frequency of a vertical thin heater．Journal of Engineering Physics and Thermophysi cs,1994,67(1-2)∶696-698．

[2]C．R．Ma,Q．Zhang,S．C．Lee,et al．Impingement heat transfer and recovery effectwith submerged jets of large Prandtl number liquid．International Journal of Heat and Mass Transfer,1997,40(6)∶1481-1500．

[3]F．P．Incropera,D．P．Dewitt,T．L．Bergman,et al．Introduction to heat transfer(5th edition)Wiley,2007∶119-132．

[4]Seong Won Hwang,Dong Hwan Kim,June Kee Min,et al．CFD analysis of fin tube heat exchanger with a pair of delta winglet vortex generators．Journal of Mechanical Science and Technology,2012,26(9)∶2949-2958．

[5]L．T．Tian,Y．L．He,Y．B．Tao,et al．A comparative study on the airside performance of wavy fin-and-tube heat exchanger with punched delta winglets in staggered and in-line arrangements．International Journal of Thermal Sciences,2009,48∶1765-1776．

[6]Y．Wang,Y．L．He,Y．G．Lei,et al．Heat transfer and hydrodynamics analysis of a novel dimpled tube．Experimental Thermal and Fluid Science,2010,34∶1273-1281．

[7]王文进,王又青,唐霞辉．高功率轴快流CO2激光器气体强化传热研究[D]．华中科技大学博士论文,2015-11-01．