圓柱形擾流元件強(qiáng)化傳熱的研究進(jìn)展

包雅媛，陶俊龍，謝緯安，喜冠南

（南通職業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南通 226007）

1 概述

1.1 背景

強(qiáng)化傳熱是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來(lái)的一種改善傳熱性能的技術(shù)，目的是促進(jìn)和適應(yīng)高熱流量傳熱，采用經(jīng)濟(jì)的設(shè)備傳輸特定的熱流量，或者采用最有效的冷卻方式保護(hù)高溫部件的安全運(yùn)行[1]。目前，工程中常用增大流體間的擾流來(lái)強(qiáng)化傳熱。插入圓柱形擾流元件是其典型應(yīng)用，也是工業(yè)上較為常用的強(qiáng)化傳熱方法，它安裝簡(jiǎn)單，易于更換，能增加傳熱速率，使溫度分布均勻，提高原有換熱性能，并廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，比如在航空航天技術(shù)、大功率電子設(shè)備、熱能動(dòng)力及化工、冶金等工業(yè)部門。因此，對(duì)插入圓柱形擾流元件強(qiáng)化傳熱問(wèn)題的研究在工程實(shí)際中具有很重要的意義。

在強(qiáng)化傳熱元件的使用過(guò)程中，雖然獲得了較高的傳熱效率，但也增加了流體流動(dòng)阻力，如何綜合考慮傳熱和阻力損失的強(qiáng)化傳熱性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，在增加最小的壓力下得到最大的傳熱效果，是一個(gè)值得深入研究的問(wèn)題。目前，雖然已有了一定的研究成果，但對(duì)圓柱形擾流元件強(qiáng)化傳熱機(jī)理的研究尚不明確，因此，研究其強(qiáng)化傳熱問(wèn)題具有很重要的理論與現(xiàn)實(shí)意義。

1.2 圓柱形擾流元件強(qiáng)化傳熱理論分析

根據(jù)傳熱方程式[2]，單位時(shí)間內(nèi)傳熱量φ=AKΔT，可見(jiàn)，強(qiáng)化傳熱的途徑有以下三種方式：增大傳熱面積（A），提高傳熱系數(shù)（K），提高平均溫差ΔT。

圓柱形擾流元件強(qiáng)化傳熱是典型的強(qiáng)化傳熱方法，通過(guò)提高傳熱系數(shù)增加傳熱量，它除了輸送傳熱介質(zhì)的功率消耗外，幾乎不再需要附加動(dòng)力，就能達(dá)到強(qiáng)化傳熱的作用。

2 強(qiáng)化傳熱技術(shù)進(jìn)展

插入擾流元件強(qiáng)化傳熱問(wèn)題在理論和工程中具有重大的意義，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者圍繞圓柱形擾流元件強(qiáng)化傳熱問(wèn)題展開(kāi)了研究。大多數(shù)研究的是關(guān)于圓柱為擾流元件與其他擾流元件傳熱效果間的對(duì)比和分析影響圓柱形擾流元件傳熱效果的因素，研究的方法主要包括實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蛿?shù)值模擬等。

2.1 數(shù)值模擬

隨著傳熱學(xué)理論的完善和計(jì)算機(jī)設(shè)備的不斷更新，計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)得到了快速發(fā)展，擾流元件強(qiáng)化傳熱問(wèn)題在數(shù)值模擬方面也取得了一定成就。

2.1.1 單圓柱強(qiáng)化傳熱問(wèn)題

目前，圓柱作為傳統(tǒng)的擾流元件，經(jīng)常應(yīng)用于工程中，同時(shí)也成為了人們的研究對(duì)象。俞接成等[3]運(yùn)用通用軟件Fluent層流模型和動(dòng)態(tài)網(wǎng)格技術(shù)，對(duì)空氣低速繞流振動(dòng)圓柱的對(duì)流換熱進(jìn)行了研究，數(shù)值計(jì)算表明，在其計(jì)算范圍內(nèi)，圓柱振動(dòng)可使換熱強(qiáng)化，最大可強(qiáng)化9倍，換熱的強(qiáng)化效果隨振幅和頻率的增大而增大，且在相同振動(dòng)條件下，雷諾數(shù)越低，振動(dòng)對(duì)換熱的強(qiáng)化效果越好。經(jīng)分析表明，圓柱振動(dòng)強(qiáng)化換熱的原因在于速度場(chǎng)和溫度梯度場(chǎng)之間的協(xié)同程度得到了改善，從而使換熱得到強(qiáng)化。

宿艷彩和葛培琪[4]也運(yùn)用Fluent軟件的動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)和UDF編程方法分別對(duì)來(lái)流速度和圓柱振動(dòng)方向?qū)A柱對(duì)流換熱的影響做了分析，來(lái)流速度遠(yuǎn)低于圓柱最大振動(dòng)速度時(shí)，振動(dòng)強(qiáng)化換熱效果明顯；隨著來(lái)流速度的增大，振動(dòng)強(qiáng)化換熱效果降低，當(dāng)流速為圓柱最大振動(dòng)速度的4倍時(shí)，圓柱傳熱效果僅增強(qiáng)1.2%；圓柱的振動(dòng)方向?qū)?qiáng)化換熱的影響不顯著，在其研究范圍內(nèi)，因圓柱振動(dòng)方向?qū)е缕鋼Q熱性能的變化量在6%以內(nèi)。

此外，馬小晶等[5]雖也采用數(shù)值模擬方法進(jìn)行研究，但將圓柱形擾流元件與其他擾流元件進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)空氣在管內(nèi)流動(dòng)換熱時(shí)，對(duì)其插入的不同結(jié)構(gòu)擾流元件時(shí)的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行分析，研究不同尺寸和形狀擾流元件對(duì)換熱和流阻的影響。研究結(jié)果表明，圓管內(nèi)沿軸線插入擾流元件的平均換熱系數(shù)大于光滑圓管；對(duì)于插入圓柱形擾流元件，其直徑越大，對(duì)流換熱效果越好；對(duì)于不同形狀的擾流元件進(jìn)行對(duì)比研究可看出，球形鏈?zhǔn)綌_流元件增強(qiáng)換熱效果的能力最強(qiáng)，略大于橢球形鏈?zhǔn)?，其次是圓柱式，而橢球式擾流元件增強(qiáng)換熱效果的能力最弱。

2.1.2 多圓柱強(qiáng)化傳熱問(wèn)題

對(duì)于多排排列的圓柱群，由于上游柱對(duì)下游柱的整流作用，會(huì)使下游柱的傳熱效果不同于單個(gè)或單排圓柱。閆世峰等[6]通過(guò)對(duì)單排圓柱列與叉排圓柱列的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)的特性進(jìn)行了數(shù)值分析與比較，通過(guò)基于復(fù)合網(wǎng)格的計(jì)算方法，研究了不同排列方式下的流動(dòng)與傳熱特性，計(jì)算結(jié)果表明，圓柱的排列方式對(duì)這兩種布置的流場(chǎng)的流動(dòng)與傳熱特性將產(chǎn)生重要的影響，并且叉排圓柱列的傳熱效果要優(yōu)于單排圓柱列的傳熱效果。

圓柱排列結(jié)構(gòu)在影響流場(chǎng)的同時(shí)，對(duì)壁面換熱也具有重要影響。張麗等[7]也對(duì)叉排圓柱列進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，在逐漸收縮的梯形通道內(nèi)，對(duì)圓柱叉排的流動(dòng)換熱的規(guī)律和壓力損失進(jìn)行分析，并與矩形通道進(jìn)行比較。計(jì)算結(jié)果表明，梯形通道與矩形通道的端壁總平均換熱系數(shù)相差不大，但是梯形通道內(nèi)每排圓柱的平均換熱系數(shù)相差較大。

為了進(jìn)一步改善擾流柱內(nèi)的換熱效率，很多學(xué)者開(kāi)始尋找新的擾流柱形式，比如液滴形、鏈?zhǔn)?、橢球式等，許多學(xué)者把他們與圓柱形擾流柱流動(dòng)和傳熱特性做了對(duì)比。楊成鳳等[8]用數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)具有水滴形叉排擾流柱陣列矩形通道內(nèi)的流動(dòng)和換熱過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，并與具有相同截面積的圓柱形擾流柱進(jìn)行了對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)水滴形擾流柱的阻力幾乎只有圓柱形擾流柱的一半，其強(qiáng)化換熱效果不及圓柱形擾流柱的換熱效果，但是水滴形擾流柱為實(shí)現(xiàn)高效低阻的冷卻方式提供了可能。

2.2 實(shí)驗(yàn)研究

研究圓柱擾流強(qiáng)化傳熱對(duì)提高現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性與安全性也具有特別重要的現(xiàn)實(shí)意義，實(shí)驗(yàn)研究是準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)強(qiáng)化傳熱的有效手段之一。

2.2.1 單圓柱強(qiáng)化傳熱問(wèn)題

冷學(xué)禮等[9]對(duì)振動(dòng)圓柱的傳熱特性做了研究，通過(guò)流體低流速橫向沖刷簡(jiǎn)諧振動(dòng)圓管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明流體繞流振動(dòng)圓管時(shí)，在較低流速下即可獲得較好的傳熱效果，換熱的增強(qiáng)較少地依賴于流動(dòng)雷諾數(shù)，更多地依賴于振動(dòng)雷諾數(shù)，傳熱的效果還受振動(dòng)過(guò)程中的振幅與頻率的影響，在低頻與低振幅的范圍內(nèi)，振幅越大，頻率越高，傳熱效果越好。同樣類似的研究還有許多，Saxena等[10]，姜波等[11]都對(duì)簡(jiǎn)諧振動(dòng)圓管的換熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)流體低速繞流振動(dòng)圓管時(shí)，強(qiáng)化傳熱效果較好，并且換熱的強(qiáng)化隨振幅和頻率的增大而增大，與冷學(xué)禮的實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。

目前在許多換熱設(shè)備中都有用于強(qiáng)化換熱的各種結(jié)構(gòu)的擾流元件存在，國(guó)內(nèi)外學(xué)者將其與圓柱形擾流柱進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比研究。Li[12]通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)橢圓形擾流柱的強(qiáng)化換熱效果和壓力損失進(jìn)行了研究，并與具有相同周長(zhǎng)的圓形擾流柱進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)前者的換熱系數(shù)比后者有一定提高，且壓力損失僅為后者的44%～58%.

Uzol和Camci[13]通過(guò)實(shí)驗(yàn)比較了圓形、標(biāo)準(zhǔn)橢圓和加長(zhǎng)橢圓3種形狀不同、具有相同橫向尺寸擾流柱后部尾跡區(qū)的換熱特性和壓力損失特性，發(fā)現(xiàn)圓形擾流柱的傳熱系數(shù)比標(biāo)準(zhǔn)橢圓和加長(zhǎng)橢圓的結(jié)果高出25%～30%，壓力損失系數(shù)卻高出100%～200%.

此外，Montepare和Ricci[14]用熱象儀拍攝了裝有單個(gè)圓形、方形、三角形和長(zhǎng)菱形擾流柱的矩形通道恒熱流壁面的溫度場(chǎng)，進(jìn)而分析了擾流柱形狀對(duì)換熱性能的影響。當(dāng)Re＜1 500，圓形擾流柱的換熱能力強(qiáng)于方形擾流柱的；當(dāng)Re＞1 500時(shí)，方形擾流柱的換熱能力得到了加強(qiáng)，優(yōu)于圓形擾流柱的。在所測(cè)雷諾數(shù)范圍內(nèi)，三角形擾流柱的換熱效果好于圓形擾流柱的；菱形擾流柱的換熱能力介于圓形擾流柱和三角形擾流柱之間。

在國(guó)內(nèi)，黃國(guó)聯(lián)[15]通過(guò)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算，詳細(xì)分析比較了圓柱形、圓柱竹節(jié)形、橢圓竹節(jié)形擾流柱的換熱特性，圓柱竹節(jié)形擾流柱的平均努塞爾特?cái)?shù)比圓柱形擾流柱的高4%左右，橢圓竹節(jié)形擾流柱的平均努塞爾特?cái)?shù)比圓柱形擾流柱的低10%左右，得出橢圓竹節(jié)形擾流柱具有高效低阻的良好綜合性能。

2.2.2 多圓柱強(qiáng)化傳熱問(wèn)題

董素艷等[16]通過(guò)特設(shè)的矩形截面吸氣式風(fēng)洞為實(shí)驗(yàn)裝置，在矩形通道內(nèi)放置了叉排的圓柱擾流柱排，對(duì)叉排圓柱擾流柱排換熱實(shí)驗(yàn)段通道端面上的換熱系數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)測(cè)量，結(jié)果表明在擾流柱前的駐點(diǎn)附近和擾流柱后的尾跡區(qū)旋渦強(qiáng)湍流度高的區(qū)域，換熱強(qiáng)化作用非常明顯，在整個(gè)擾流柱排內(nèi)換熱強(qiáng)化系數(shù)平均在2.5以上，局部換熱強(qiáng)化系數(shù)可達(dá)4以上，擾流柱排對(duì)其下游換熱影響范圍很大，在下游6 d處仍有1.5左右。該結(jié)論對(duì)實(shí)際應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。吉洪湖等[17]對(duì)一個(gè)帶有叉排圓柱陣列的矩形通道在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的對(duì)流換熱進(jìn)行了初步的實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在雷諾數(shù)的實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)（12 000～45 000），在相同轉(zhuǎn)動(dòng)數(shù)Ro下，Re越大，換熱系數(shù)增加得越多；旋轉(zhuǎn)不僅增加了通道后表面的換熱，也增加了前表面的換熱，且換熱隨Ro的增加而增加；由于通道內(nèi)叉排圓柱的影響，沿通道軸向換熱系數(shù)是單調(diào)增加的。

Ryosuke Matsumoto、Shinzo Kikkawa等[18]利用熱色液晶溫度圖譜顯示了裝有單個(gè)、單排、順排和叉排圓形擾流柱群的矩形通道恒熱流壁面局部對(duì)流換熱系數(shù)的分布。當(dāng)氣流橫掠單柱時(shí)，其尾跡區(qū)溫度比較低，柱前緣有一個(gè)“U”形局部對(duì)流換熱系數(shù)加強(qiáng)區(qū)。當(dāng)氣流橫掠一排擾流柱時(shí)，柱后尾跡區(qū)的局部對(duì)流換熱系數(shù)隨著擾流柱間距的減小而增強(qiáng)。對(duì)于順排擾流柱群，第一排和第二排柱周圍的壁面對(duì)流換熱系數(shù)加強(qiáng)區(qū)面積略小，但從第三排起，每個(gè)柱前緣出現(xiàn)了一個(gè)“U”形換熱加強(qiáng)區(qū)。當(dāng)擾流柱叉排時(shí)，由于氣流的湍流度大于順排的，其換熱性能也強(qiáng)于順排的。

3 強(qiáng)化傳熱技術(shù)研究方向展望

綜上所述，通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)的分析總結(jié)可以看出，對(duì)圓柱擾流強(qiáng)化傳熱技術(shù)影響的研究主要采用綜合考慮傳熱和阻力損失的強(qiáng)化傳熱性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，基于最佳的強(qiáng)化傳熱效果應(yīng)當(dāng)以在最小的壓力增加下得到最大的傳熱效果為原則基礎(chǔ)，且最佳的強(qiáng)化傳熱效果與擾流柱形狀特征和結(jié)構(gòu)特征有著密切關(guān)系。但對(duì)其影響因素的研究大多是通過(guò)數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)?zāi)M方法來(lái)研究的，對(duì)數(shù)學(xué)模型本身和模擬實(shí)驗(yàn)條件而言也有其不足和局限性。

由文獻(xiàn)總結(jié)可以看出，目前，相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究和理論研究成果并未涉及圓柱擾流強(qiáng)化傳熱技術(shù)在不同工況下的對(duì)比性實(shí)驗(yàn)研究，也未對(duì)其應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行深入的了解、調(diào)查和研究，有針對(duì)性地解決存在問(wèn)題的方法，阻礙了在實(shí)踐中的推廣應(yīng)用。因此，對(duì)該方面問(wèn)題進(jìn)行深入實(shí)驗(yàn)研究和系統(tǒng)的概述對(duì)于總結(jié)和完善當(dāng)前研究具有重要的意義。

4 小結(jié)

本文通過(guò)對(duì)已有資料進(jìn)行總結(jié)得出，現(xiàn)有的圓柱擾流強(qiáng)化傳熱技術(shù)研究主要集中在數(shù)值計(jì)算和模擬實(shí)驗(yàn)方法上，而對(duì)不同工況下的對(duì)比性實(shí)驗(yàn)研究還相對(duì)較少，另外，對(duì)其應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行深入的了解、調(diào)查和研究，有針對(duì)性地解決存在問(wèn)題的方法也很匱乏，未來(lái)的研究有向這方面發(fā)展的趨勢(shì)。