腰槽開孔矩形翼渦流發(fā)生器的傳熱和流阻特性

徐志明，熊騫，王景濤，韓志敏

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腰槽開孔矩形翼渦流發(fā)生器的傳熱和流阻特性

徐志明，熊騫，王景濤，韓志敏

（東北電力大學能源與動力工程學院，吉林吉林132012）

渦流發(fā)生器是一種廣泛應用的被動強化傳熱元件，在換熱器的換熱壁面上以陣列形式布置。渦流發(fā)生器靠誘導和產(chǎn)生渦旋來削減或破壞壁面邊界層從而達到強化換熱。本文對安裝腰槽開孔矩形翼渦流發(fā)生器和未沖孔矩形翼渦流發(fā)生器以及圓孔矩形翼渦流發(fā)生器的矩形通道進行了傳熱和流阻特性的實驗研究。實驗雷諾數(shù)范圍為=1000～4000。結果表明：在相同雷諾數(shù)下，安裝有腰槽開孔矩形翼渦流發(fā)生器的矩形通道的換熱效果和流阻特性優(yōu)于未沖孔矩形翼渦流發(fā)生器和圓孔矩形翼渦流發(fā)生器，腰槽開孔矩形翼渦流發(fā)生器綜合換熱性能最好。渦流發(fā)生器布置攻角和縱向間距對腰槽開孔矩形翼渦流發(fā)生器傳熱和流阻有較大影響，對比不同渦流發(fā)生器布置攻角和縱向間距，得出90°攻角布置和縱向間距為80mm布置的腰槽開孔矩形翼渦流發(fā)生器總和換熱性能最好。

腰槽開孔矩形翼渦流發(fā)生器；強化換熱；流阻；攻角；縱向間距

渦流發(fā)生器是一種應用廣泛的被動強化傳熱元件，在電力、化工、冶金、建筑等領域被廣泛使用。面對能源稀缺的現(xiàn)狀，增加換熱器效率來達到節(jié)能和節(jié)材的思路引起廣泛關注。HABCHI等[1]對三類十二種不同配置的渦流發(fā)生器湍流漩渦流動傳熱的全局和局部進行數(shù)值模擬分析。CALISKAN[2]實驗研究沖壓矩形翼渦流發(fā)生器和沖壓三角翼渦流發(fā)生器在改變其幾何形狀和附著角度下的換熱特性。采用紅外熱成像技術，與光板作對比得出沖壓三角渦流發(fā)生器換熱特性最好。DU等[3]實驗和數(shù)值模擬研究在波浪形鱗片上沖壓三角翼渦流發(fā)生器前后空氣側流動特性和換熱特性。結果表明，雷諾數(shù)在1500～4500之間換熱效果大幅度提高，平均努塞爾數(shù)增加21%～60%。雷諾數(shù)在500～4500之間平均摩擦系數(shù)提高13%～83%。KUMAR[4]綜述不同類型布置的渦流發(fā)生器強化換熱實驗研究和數(shù)值模擬研究。各種增強換熱的渦流發(fā)生器類型和經(jīng)濟有效的技術均在文獻中提及。ZHOU等[5]對比常規(guī)渦流發(fā)生器對彎曲梯形翼渦流發(fā)生器進行實驗研究。結果表明，三角翼渦流發(fā)生器在層流區(qū)和過渡區(qū)熱工性能最好，而彎曲梯形翼渦流發(fā)生器在湍流區(qū)由于其流線型構造熱工性能最好。同時得到較小攻角（0°和15°），較大曲率(長/寬=2/1)，較大傾斜角度（20°）在給出條件下具有最佳熱工性能。HSIAO等[6]數(shù)值模擬和采用田口理論研究幾何參數(shù)對布置微型渦流發(fā)生器后微型混合器的影響。結果表明，不同雷諾數(shù)下漸闊布置矩形翼渦流發(fā)生器布置混合效率高于漸縮以及單排布置。靜態(tài)田口分析表明幾何參數(shù)相對效果為：不對稱＞攻角＞翼片高度＞間距。GHOLAMI等[7]數(shù)值模擬研究在緊湊式換熱器中波浪式翼型渦流發(fā)生器在低雷諾數(shù)下?lián)Q熱特性和流阻特性。結果表明，波浪式矩形翼渦流發(fā)生器在一定壓力損失下可以顯著提高翅管式換熱器換熱性能。LIN等[8]數(shù)值模擬研究在管束翅式換熱器中，在圓形管后部布置弧形三角翼渦流發(fā)生器?？紤]其徑向和軸向位置、高度和長度對換熱器傳熱性能的影響。ABDOLLAHI等[9]數(shù)值模擬研究渦流發(fā)生器形狀和攻角對矩形散熱片換熱特性和流動特性的影響。JANG等[10]數(shù)值模擬研究三維層流狀態(tài)管式換熱器中在管后布置交錯鰭片式渦流發(fā)生器的熱工特性。COLLEONI等[11]數(shù)值模擬研究在非對稱加熱情況下，換熱器中流體熱性能增強。模擬采用三角翼渦流發(fā)生器和肋片的結合來研究換熱器內(nèi)部強制對流換熱和摩擦損失。計算結果表明，更大更薄的肋片具有最佳散熱性能，而三角翼渦流發(fā)生器的高度為通道高度的一半時具有最佳性能。CAI等[12]數(shù)值模擬研究矩形通道內(nèi)非對稱布置矩形翼渦流發(fā)生器的換熱特性和流阻特性。結果表明，在雷諾數(shù)為500～2000時，非對稱布置矩形翼渦流發(fā)生器對比對稱布置努塞爾數(shù)減小4%～6%，摩擦系數(shù)減小11%～22%，且總體熱性能提高5%～20%。田麗亭等[13]三維數(shù)值模擬研究平翅片上布置三角翼渦流發(fā)生器后產(chǎn)生的三角孔洞及其位置對翅片換熱特性的影響。唐凌虹等[14]對比圓管后漸擴式布置三角翼渦流發(fā)生器和圓管兩端漸縮式布置三角翼渦流發(fā)生器兩種縱向渦流發(fā)生器的換熱特性，得出后一種布置方式換熱特性較好，同時數(shù)值模擬幾何參數(shù)該形式布置渦流發(fā)生器的換熱特性影響。葉秋玲 等[15]實驗研究矩形通道內(nèi)6種渦流發(fā)生器在雷諾數(shù)700～26800范圍內(nèi)的強化傳熱效果和壓降特性。實驗結果表明，由于斜截半柱面能產(chǎn)生端部渦和根部馬蹄渦系，并且結合其流線型結構，相比其他5種渦流發(fā)生器，該渦流發(fā)生器具有最優(yōu)強化換熱效果和壓降特性。葉秋玲等[16]實驗研究矩形通道內(nèi)布置一對高寬比為1比2的斜截半柱面，在雷諾數(shù)700～26800范圍內(nèi)，不同斜邊傾角、來流攻角、前沿間距、布置方式和順列錯列下?lián)Q熱特性和壓降特性。郭磊等[17]數(shù)值模擬研究比較圓管后布置與不布置矩形翼渦流發(fā)生器，得到溫度場、速度場和壓力場的分布情況。徐志明等[18]數(shù)值模擬研究矩形通道內(nèi)CaCO3污垢沉積過程，得出CaCO3在矩形通道內(nèi)的沉積率、剝蝕率與污垢熱阻隨入口濃度的增大而增大，隨著入口速度的增大而增大，但是隨入口溶液溫度的增大而減小。

本文實驗采用水為工質(zhì)，對比研究腰槽開孔矩形翼渦流發(fā)生器、圓孔矩形翼渦流發(fā)生器、未開孔矩形翼渦流發(fā)生器和光板同工況下?lián)Q熱特性和流阻特性。

1 實驗系統(tǒng)與方法

1.1 實驗系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)如圖1所示。工質(zhì)經(jīng)循環(huán)水泵從低位水箱輸送至高位水箱，因勢差一部分工質(zhì)從高位水箱輸送至實驗段，通過實驗段后工質(zhì)流回低位水箱，形成循環(huán)回路。另一部分經(jīng)溢流板溢流流向低位水箱。循環(huán)回路主要以兩種冷卻方式（冷水機水冷和風機風冷）冷卻低位水箱內(nèi)的水溫確保水箱溫度波動較小和一種加熱方式（3根2000W加熱棒）經(jīng)溫控儀調(diào)節(jié)進行加熱，確保恒溫水箱溫度的偏差不超過±1℃。實驗主要測量裝置有Pt100熱電阻（WZPK-191）用于測量實驗段入口和出口以及水浴溫度，測量精度±0.15℃，LDE-15SM2F100電磁流量計采集實驗段工質(zhì)流量。

1.2 渦流發(fā)生器及其布置

渦流發(fā)生器材質(zhì)為0.3mm厚304不銹鋼。渦流發(fā)生器如圖2所示。

矩形通道幾何尺寸為1000mm×100mm×8.5mm，由兩塊材質(zhì)為304不銹鋼厚度為0.8mm以及密封材料構成矩形通道。渦流發(fā)生器布置示意圖如圖3所示。入口穩(wěn)定段=150mm，渦流發(fā)生器橫向間距=20mm，渦流發(fā)生器縱向間距=70mm，迎流攻角，迎流向布置，箭頭所指為工質(zhì)流動方向。

1.3 實驗數(shù)據(jù)處理

本實驗采用基本公式為傳熱方程式和熱平衡方程式，見式(1)、式(2)。

＝Δm(1)

＝vc(out–in) (2)

根據(jù)傳熱方程式和熱平衡方程式得到總熱導率表達式，見式(3)、式(4)。

(4)

雷諾數(shù)的定義為式(5)。

當量直徑為式(6)。

(6)

本文使用傳熱因子、摩擦系數(shù)和綜合評價因子作為評價指標。他們的定義如式(7)～式(9)。

(8)

(9)

式(7)中，為普朗特數(shù)。

1.4 誤差分析

實驗臺選取測量精度為0.2%型號為PT100的熱電阻和測量精度為0.05%的精密線繞電阻；選取型號為LDE-15SM2F100測量精度為0.5%的電磁流量計進行采集實驗流量；選取型號為TS220-3015測量精度為0.1%的壓差變送器測量實驗段進出口壓差；選取數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊的最大轉(zhuǎn)換誤差為0.01%。采用文獻[19]中均方根法對實驗臺進行誤差分析。

表1 溫度、壓差及流量的測量誤差

總熱導率誤差包括儀器精度誤差和數(shù)據(jù)線性回歸造成的誤差。數(shù)據(jù)線性回歸最大相對誤差A=5%?？傻每偀釋?、傳熱因子和摩擦因子最大相對誤差如式(10)所示。

計算得出實驗臺的溫度、壓差和流量的測量誤差皆滿足工程上小于±1%的要求，總熱導率相對誤差小于10%，滿足工程上的要求[20]。因此，本實驗臺數(shù)據(jù)可靠，能夠進行相關實驗研究。

2 實驗結果與分析

2.1 3種渦流發(fā)生器綜合換熱性能

3種渦流發(fā)生器在矩形通道內(nèi)/0值隨雷諾數(shù)變化規(guī)律如圖4。由圖4可知，腰槽開孔矩形翼渦流發(fā)生器傳熱效果最好，其次是圓孔矩形翼渦流發(fā)生器，換熱效果最差的是未沖孔矩形翼渦流發(fā)生器。分析可知，布置渦流發(fā)生器后產(chǎn)生的渦旋改變層流均勻流場和溫度場，并且改變邊界層、次邊界層和緩沖層這些占有相當大熱阻成分的厚度，從而換熱較未布置渦流發(fā)生器有明顯提高[21]。而在迎流面開孔后，工質(zhì)穿過開孔處形成射流對背部穩(wěn)定度較高擾動較小的回流區(qū)進行沖刷，因此開孔后矩形翼渦流發(fā)生器傳熱效果明顯好于未開孔矩形翼渦流發(fā)生器。其原因一是改變回流區(qū)邊界層、次邊界層和緩沖層厚度；二是降低回流區(qū)穩(wěn)定度，改變均勻流場和溫度場。比較直徑皆為1mm腰槽開孔矩形翼渦流發(fā)生器和圓孔矩形翼渦流發(fā)生器，由于腰槽開孔面積遠大于圓孔面積，故工質(zhì)流經(jīng)腰槽形成的射流面積遠遠大于流經(jīng)圓孔的面積。因此較大程度上改變回流區(qū)穩(wěn)定度以及邊界層、次邊界層和緩沖層厚度。但是形成的射流一定程度上會對工質(zhì)經(jīng)翼邊產(chǎn)生的漩渦產(chǎn)生影響，但是在一定開孔面積范圍內(nèi)，對回流區(qū)的影響射流應大于經(jīng)翼邊產(chǎn)生漩渦，因此腰槽開孔矩形翼渦流發(fā)生器傳熱效果 最佳。

3種渦流發(fā)生器在矩形通道內(nèi)/0值隨雷諾數(shù)變化曲線如圖5。由圖5可知，未開孔矩形翼渦流發(fā)生器/0值最大，其次是圓孔矩形翼渦流發(fā)生器，腰槽開孔矩形翼渦流發(fā)生器最小。分析可知，未開孔矩形翼渦流發(fā)生器迎流截面積大，工質(zhì)流經(jīng)未沖孔矩形翼渦流發(fā)生器速度銳減端部易產(chǎn)生滯止區(qū)，工質(zhì)只能從翼邊流過渦流發(fā)生器，流動阻力較大。而開孔后矩形翼渦流發(fā)生器部分工質(zhì)能穿過開孔處，因此流動阻力明顯降低。比較直徑皆為1mm的腰槽開孔矩形翼渦流發(fā)生器和圓孔矩形翼渦流發(fā)生器，開孔面積的增加使更多工質(zhì)流過開孔處導致渦流發(fā)生器前后壓降減小，將開孔面積無限延伸，可近似看作光板，開孔面積較大的腰槽對比圓孔對降低流阻起主導作用。因此腰槽開孔矩形翼渦流發(fā)生器/0值最小。

綜合評價因子隨雷諾數(shù)變化的曲線如圖6。由圖6可知，未沖孔矩形翼渦流發(fā)生器綜合評價因子最低，腰槽開孔矩形翼渦流發(fā)生器綜合評價因子最高，圓孔矩形翼渦流發(fā)生器綜合評價因子介于兩者之間。

經(jīng)上述實驗所知，對比3種渦流發(fā)生器，腰槽開孔矩形翼渦流發(fā)生器綜合評價因子最高，下面將從攻角和縱向間距對腰槽開孔矩形翼渦流發(fā)生器傳熱和流阻特性進行實驗研究。

2.2 攻角的影響

將腰槽開孔矩形翼渦流發(fā)生器按2列10排布置在矩形通道內(nèi)。攻角分別為30°、60°和90°，/0值隨雷諾數(shù)變化曲線如圖7。由圖7可知，90°攻角布置時/0值最大，其次是60°攻角布置，30°攻角布置后/0值最小。分析可知，一是90°攻角布置的腰槽開孔矩形翼渦流發(fā)生器迎流截面積要大于其他兩種攻角布置，因此產(chǎn)生的渦流要明顯多于其他兩種攻角布置，而渦流的產(chǎn)生伴隨著區(qū)域不穩(wěn)定度提高和邊界層、次邊界層、緩沖層的改變。二是從主流方向看，90°攻角布置后腰槽開孔矩形翼渦流發(fā)生器的腰槽面積最大，因此工質(zhì)流進腰槽形成射流對背部回流區(qū)沖刷面積大于其他兩種攻角布置，而射流的存在極大程度上擾亂換熱弱較弱的回流區(qū)的穩(wěn)定性，進而改變該區(qū)流動性，同時破壞該區(qū)域占有相當大熱阻成分的邊界層、次邊界層和緩沖層的厚度。隨著攻角不斷減小，從主流方向看腰槽面積隨之減小，工質(zhì)流進腰槽產(chǎn)生的射流對背部回流區(qū)沖刷面積隨之減小。另外，工質(zhì)流經(jīng)渦流發(fā)生器產(chǎn)生的渦流強度隨著攻角的減小而減弱，強化傳熱特性隨攻角減小而降低。因此，90°攻角布置強化傳熱特性最好，60°攻角布置其次，30°攻角布置最差。

攻角分別為30°、60°和90°/0值隨雷諾數(shù)變化曲線如圖8。由圖8可知，90°攻角布置時/0值最大。其次是60°攻角布置，30°攻角布置時/0值最小。分析可知，雖然腰槽開孔后，部分工質(zhì)能從開孔處流過，但腰槽面積相對整個迎流截面積較小。因此大部分工質(zhì)是從渦流發(fā)生器翼邊流過，而90°攻角布置后渦流發(fā)生器端部會產(chǎn)生滯止區(qū)，大部分工質(zhì)無法從開孔處流過，在端部滯止區(qū)速度銳減，與壁面摩擦隨之增加。60°攻角和30°攻角布置渦流發(fā)生器與主流方面呈一定角度。工質(zhì)流經(jīng)渦流發(fā)生器后速度雖然減小，但與主流方向上一直的速度不會銳減為0，并且工質(zhì)在主流方向上速度減小率隨攻角的減小而減小，與壁面的摩擦也攻角的減小而減小。因此，90°攻角布置流阻特性最差，60°攻角布置其次，30°攻角布置流阻特性最好。

綜合評價因子隨雷諾數(shù)變化的曲線如圖9。由圖9可知，90°攻角布置時綜合評價因子最高，60°攻角布置次之，30°攻角布置時綜合評價因子最低。

2.3 縱向間距的影響

不同縱向間距（60mm、70mm、80mm）布置后在矩形通道內(nèi)/0值隨雷諾數(shù)變化曲線如圖10。由圖10可知，縱向間距60mm（2列11排）布置時/0值最大，縱向間距70mm（2列10排）布置其次，縱向間距80mm（2列9排）布置時/0值最小。分析可知，縱向間距60mm布置后的渦流發(fā)生器距離較近，工質(zhì)流經(jīng)上排渦流發(fā)生器后產(chǎn)生的射流和渦流影響還沒消失，繼續(xù)作用在下一排渦流發(fā)生器，在一定程度上比較其他兩種縱向間距布置，渦流發(fā)生器周圍區(qū)域穩(wěn)定度極大程度遭到破壞，并且渦流和射流的共同作用削弱邊界層、次邊界層和緩沖層厚度。因此縱向間距60mm布置/0值最大，縱向間距70mm布置其次，縱向間距80mm布置/0值最小。

不同縱向間距（60mm、70mm、80mm）布置后在矩形通道內(nèi)/0值隨雷諾數(shù)變化曲線如圖11。

由圖11可知，縱向間距60mm（2列11排）布置時/0值最大，縱向間距70mm（2列10排）布置其次，縱向間距80mm（2列9排）布置時/0值最小。分析可知，縱向間距過小，上排渦流發(fā)生器產(chǎn)生的渦流和射流對下排渦流發(fā)生器影響較大，縱向間距60mm布置，下排渦流發(fā)生器受上排渦流發(fā)生器影響最大，故縱向間距60mm布置/0值最大，流動特性最差。而且隨著縱向間距增加，工質(zhì)流經(jīng)腰槽后形成的射流呈漸闊式，一定程度會干擾工質(zhì)流經(jīng)渦流發(fā)生器翼邊產(chǎn)生的渦流，故80mm布置/0值小于于70mm布置/0值。因此，縱向間距60mm布置/0值最大，縱向間距70mm布置其次，縱向間距80mm布置/0值最小。

綜合評價因子隨雷諾數(shù)變化的曲線如圖12。由圖12可知，縱向間距80mm（2列9排）布置的綜合評價因子最高，縱向間距70mm（2列10排）布置時綜合評價因子其次，縱向間距60mm（2列11排）布置時綜合評價因子最小。

2.4 實驗準則關聯(lián)式

采用量綱分析法，得出在矩形通道內(nèi)布置腰槽開孔矩形翼渦流發(fā)生器后影響強化傳熱的主要因素有數(shù)、數(shù)、幾何參數(shù)和位置參數(shù)，故存在以下關聯(lián)式，見式(11)。

根據(jù)實驗結果，對腰槽開孔矩形翼渦流發(fā)生器的多種縱向間距進行多元回歸，得出其準則關聯(lián)。當=1000～4000時，見式(12)。

(12)

關聯(lián)式與實驗結果對比如圖13，可見實驗點皆在±10%誤差范圍內(nèi)。

3 結論

（1）腰槽開孔矩形翼渦流發(fā)生器較矩形翼渦流發(fā)生器和圓孔矩形翼渦流發(fā)生器綜合換熱性能更佳。

（2）攻角對腰槽開孔矩形翼渦流發(fā)生器綜合換熱性能有較大影響，90°攻角布置的腰槽開孔矩形翼渦流發(fā)生器綜合換熱性能最好。

（3）縱向間距對腰槽開孔矩形翼渦流發(fā)生器綜合換熱性能有較大影響，在一定縱向間距范圍內(nèi)，縱向間距80mm布置的腰槽開孔矩形翼渦流發(fā)生器綜合換熱性能最好。

符號說明

A——總傳熱面積，m2 A0——矩形通道有效換熱面積，m2 Ac——矩形通道最小橫截面積，m2 b——矩形通道寬度，m C——渦流發(fā)生器縱向間距，mm cp——工質(zhì)比熱容，J/(kg·℃) de——當量直徑，m f——摩擦因子 h——矩形通道高度，m j——傳熱因子 k——換熱面總熱導率，W·m2/K L——入口穩(wěn)定段距離，mm qv——實驗段工質(zhì)流量，L/min R——綜合評價因子 S——渦流發(fā)生器橫向間距，mm tout——實驗段入口溫度，℃ tin——實驗段出口溫度，℃ tsy——恒溫水浴溫度溫度，℃ Δtm——對數(shù)平均溫差，℃ u——工質(zhì)在矩形通道內(nèi)平均流速，m/s β——渦流發(fā)生器攻角，(°) ρ——工質(zhì)密度，kg/m3 h——動力黏度，Pa·s Φ——熱流量，W φ——孔直徑，mm

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Experimental study of heat transfer and flow resistance characteristics of rectangular wing vortex generator with waist groove

XU Zhiming，XIONG Qian，WANG Jingtao，HAN Zhiming

（School of Energy and Power Engineering，Northeast Dianli University，Jilin 132012，Jilin，China）

Vortex generator is a kind of element for passive heat transfer enhancement，usually on heat transfer surface of heat exchangers in the form of array layout. Vortex generators enhance heat transfer by inducing vortice to thin or destroy the wall boundary layer. The characteristics of heat transfer and flow resistance equipped with the rectangular wing vortex generators with waist groove，the rectangular wing vortex generator and the rectangular wing vortex generator with a hole in a rectangular channel was experimentally studied in this paper. Experimental Reynods number，，ranges from 1000 to 4000. The results showed that at the same Reynods number the rectangular wing vortex generators with waist groove have the best characteristics of heat transfer and flow resistance in a rectangular channel compared to the rectangular wing vortex generator and rectangular wing vortex generator with a hole. The attack angle and longitudinal distance of vortex generator have influence on heat transfer and flow resistance. It was found that the best performance of comprehensive heat transfer attack angle was 90° and the best performance of comprehensive heat longitudinal distance was 80mm.

rectangular wing vortex generator with waist groove；heat transfer enhacement；flow resistance；attack angle；longitudinal distance

TK124

A

1000–6613（2017）06–2023–08

10.16085/j.issn.1000-6613.2017.06.008

2016-10-28；

2017-02-04。

國家自然科學基金項目（51476025）。

徐志明（1959—），男，教授，博士生導師，主要從事節(jié)能理論與技術、換熱設備的污垢與對策和強化換熱的研究。E-mail：xuzm@mail.nedu.edu.cn。聯(lián)系人：熊騫，碩士研究生，主要從事節(jié)能理論與技術、換熱設備的污垢與對策研究。E-mail：46608253@qq.com。