带有三角翼涡发生器的螺旋通道强化换热研究

摘" " " 要： 采用数值模拟方法探究了带有三角翼型涡发生器的半圆形截面螺旋通道内流体流动与强化传热性能，考察了相邻三角翼间隔角φ、长高比Г对强化传热性能的影响。结果表明：通道内安装三角翼的φ值越小，对流体的整体扰动作用越强，强化换热效果越好，但同时流动阻力也越大；研究范围内，φ=180°布置的三角翼综合强化传热效果最佳。同一雷诺数Re条件下，三角翼Г值越大综合传热系数PEC值越高。φ=180°、Г=2.50时，综合传热系数PEC在1.029～1.062之间。

关" 键" 词：三角翼；螺旋通道；间隔角；强化换热

中图分类号：TQ021.3" " "文献标识码： A" " "文章编号： 1004-0935（2023）05-0661-05

螺旋通道被广泛应用于石油化工、生物制药、机械制造、制冷及能源动力等领域，具有制造简单、结构紧凑、高效换热等优点[1-2]。与其他通道相比，螺旋通道的主要关注点之一是二次流动，二次流是由离心力的作用引起的，有利于破坏或减薄边界层，促进主流和壁面附近流体颗粒的混合，是强化传热传质的关键[3]。众多科研学者探究了不同截面形状螺旋通道内流体流动和传热特性，其中半圆形截面螺旋通道可认为是螺旋半管夹套的简化模型[4-6]。螺旋半管夹套常常安装在反应釜外侧用来传递反应釜内的反应预热以确保反应釜内温度，从而大幅度降低化学反应过程中的生产成本，产生巨大的经济效益。已有研究结果表明，高雷诺数下，螺旋通道中二次流的强化传热效果降低，导致螺旋通道的综合强化传热性能降低。为了进一步提高螺旋通道的传热性能，各种强化传热方式已被学者应用于螺旋通道以改善流场，实现强化换热。

近些年来，采用固定安装的涡发生器强化通道内流体的换热已被大量文献报道[7-8]。其中，翼型涡发生器能够产生作用范围较大的纵向涡旋，有效减小通道内的流动死区，在无需外加功率的条件下，能够以增加少量压力损失为代价来实现强化换" "热[9-10]。翼型涡发生器产生的纵向涡旋会引起强烈的旋流运动，增加了流体混合，减薄或者破坏了热边界层的连续发展，使流体与换热表面间的传热得以改善[11]。已有研究结果表明，涡流发生器的布置数量和结构参数均会对换热效果产生重要影响。SHAFIQUL[12]等在方形通道内周期性布置涡流发生器，并对流体的换热特性进行研究，结果表明传热性能明显优于光滑通道，但流动阻力同时增加。贾龙[13]等对比了涡发生器结构参数对细微直通道换热性能的影响，结果表明尽管长高比对流体换热性能影响较小，但随着长高比的增加流动阻力随之" 增加。

本文通过三角单翼型涡流发生器复合半圆形截面螺旋通道达到强化换热的目的，为深入分析安装三角翼型涡发生器后流体的传热特性，主要考察了相邻翼型涡发生器间隔角、结构参数对螺旋通道内传热效果的影响，为翼型涡发生器复合螺旋通道的强化传热方式在工程实际中的推广和应用提供理论参考。

1" 物理模型及几何参数

物理模型如图1（a）所示。半圆形截面螺旋通道螺旋半径、螺距、半圆管半径分别为：Rc=80 mm、P=40 mm、r0=10 mm，圈数为4圈。起始三角翼安装在距螺旋通道入口θ=180°位置处。三角翼的结构及布置方式如图1（b）所示，翼的长和高取值分别为a=8 mm，b=4 mm，翼厚c=1 mm。三角翼斜边迎流布置，定义长边a与螺旋线夹角为攻角α，取值为α=30°。本研究中主要考察了间隔角φ与长高比Г对三角翼强化螺旋通道传热性能的影响，其中间隔角φ的取值分别为90°、180°和360°，长高比Г取值范围为1.5～2.5。

2" 研究方法

2.1" 数值模拟

运用Fluent软件对安装多个三角翼的螺旋通道进行数值模拟计算。基于Realizable k-ε湍流模型，采用SIMPLEC算法，二阶迎风格式离散，壁面处理采用标准壁面函数。入口边界条件为速度入口，入口温度Tin=293 K，出口为压力出口。在计算过程中半圆形直壁面为换热壁面，定义壁面温度 Tw=373 K，外壁面为绝热。收敛条件为连续性方程和动量方程残差小于1.0×10-5，能量方程残差小于1.0×10-6。

对计算域网格采用分块划分，三角翼周围局域为非结构化网格，并针对此区域进行局部加密，无三角翼区域采用结构化网格，并进行网格独立性验证以确保计算结果的准确性。

2.2" 数值模拟结果的验证

为验证数值模拟的正确性，采用文献[14]中的实验装置对光滑半圆形截面螺旋通道内换热特性进行实验研究。实验中螺旋通道曲率半径、螺距、半圆管半径分别为：Rc=80 mm、P=40 mm、r0=10 mm，圈数为4。图2给出了对流换热系数hm和压差Δp的模拟值与实验值的对比结果。

由图2可以看出，模拟值与实验值的趋势吻合较好，hm相对偏差绝对值3.54%～6.79%，Δp相对偏差绝对值为3.35%～6.12%。由此可见，本研究采用的数值模拟方法是可靠的。

3" 结果与讨论

3.1" 间隔角φ对换热性能的影响

为了分析相邻三角翼间隔角φ对换热和流动阻力的影响，图3和图4分别给出了不同φ值下努塞尔数Nu和阻力系数f的变化曲线。由图3可以看出，随着φ值的减小，Nu值逐渐增加。这是由于随着φ值的减小，螺旋通道内三角翼的数量越多，产生纵向涡旋的数量增加，促进了流体混合程度，使换热效果增强。

由图4可以看出，与单一螺旋通道相比，在通道内安装三角翼导致阻力系数f显著增加，随着φ值的减小，f值逐渐增加，导致此现象的原因是，一方面流体绕过三角翼后产生纵向涡旋会造成一定的能量损失，另一方面涡旋随着流动演变过程中，减薄了换热边界层的同时，导致了近壁处流体速度梯度的增加，进而使摩擦阻力变大。而小φ值下，三角翼数量的增多会造成更多的流动阻力损失。

从图3和图4中可以看出，φ值越小，Nu和f值同时增加，为了综合评价三角翼间隔角φ对通道综合强化换热效果的影响，定义综合强化传热因子PEC如下。

图5给出了不同φ值下的PEC值，可以看出研究范围内PEC值均大于1，说明三角翼可以在半圆形螺旋通道内获得良好的强化传热效果。同时可以看出φ=180°的三角翼的综合强化换热效果最好。分析结果表明，研究范围φ=180°时，PEC在" " " 1.050 9～1.018 4之间。

3.2" 长高比Γ对换热性能的影响

为了考察三角翼长高比Γ对半圆形通道换热效果的影响，图6、图7分别给出了努塞尔数Nu、流动阻力系数f随Re的变化曲线。

从图6、图7中可以看出，随着Γ值增加，Nu和f值同时增加，同单一螺旋通道相比，Nu值增加了3.79%～10.56%，f值增加了8.83%～13.34%。这是由于随着Γ值越大，流体绕过三角翼时形成的二次涡旋强度越强，范围越大，促进强化换热效果。但同时通道内由三角翼引起的形状阻力也随之增大，导致通道内流动阻力的增加。图8给出了三角翼不同Г下的PEC值，从图中可以看出，所有Г值下的PEC值都高于1，说明在螺旋通道中安装三角翼是一种有效的强化换热措施。同一雷诺数下，三角翼Г越大PEC值越高，即综合强化换热效果最佳。

4" 结 论

通过数值模拟方法，研究了带有三角翼型涡发生器的螺旋通道内流体的强化传热特性，考察了三角翼间隔角以及长高比对强化传热效果的影响。得到如下结论：

1）相邻三角翼间隔角φ越小，螺旋通道内努塞尔数Nu和阻力系数f越大，φ=180°时具有最佳的换热效果。

2）随着三角翼长高比Γ的增加，更有利于产生强度更大且作用范围更大的纵向涡旋，能够有效促进通道内流体的充分混合，达到高效的强化换热效果，但同时导致螺旋通道内流体流动阻力增大，研究范围内Г=2.5时三角翼具有最佳的综合换热" 性能。

参考文献：

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Abstract：" The fluid flow and enhanced heat transfer performance in a helical channel with a semicircular section with a triangular airfoil vortex generator were investigated by numerical simulation method. The effects of the interval angle φ and aspect ratio Г of adjacent triangular winglet on the enhanced heat transfer performance were investigated. The results showed that the smaller the φ value of the triangular winglet installed in the channel， the stronger the overall disturbance effect on the fluid， the better the heat transfer enhancement effect， but the greater the flow resistance; Within the research range， the triangular winglet arranged when φ=180° had the best comprehensive heat transfer enhancement effect. Under the same Reynolds number Re， the larger the value of Г of the triangular winglet， the higher the PEC value of the comprehensive heat transfer coefficient. When φ=180° and Г=2.50， the comprehensive heat transfer coefficient PEC was between 1.029 and 1.062.

Key words： Triangular winglet; Helical channel; Interval angle; Enhanced heat exchange