纵向涡发生器对圆形翅片管换热强化的影响

2014年03月28 00:00:00 来源：中国制冷空调技术网

摘要：利用ＣＦＤ计算软件ＦＬＵＥＮＴ对带有纵向涡发生器的圆形翅片管的流体流动和传热过程进行数值模拟，并与普通圆形翅片管加以对比。结果表明，带有纵向涡发生器的翅片管换热效果明显优于普通翅片管。应用场协同原理解释认为，纵向涡发生器使流体速度和温度梯度之间夹角减小，改善了速度场和温度场的协同性，从而增强了换热效果。

常见的管翅式换热器翅片侧介质多为气体，而气体侧热阻占总热阻的７０％以上，因此，减小气体侧热阻，强化气体侧传热，对换热器换热效率的提高有着重要的意义。翅片管换热器，就是在管的外表面或内表面带有各种形状的翅片，特别在对流传热系数小的一侧采用翅片对提高总传热系数更是有效［１］。然而传统翅片管只考虑通过增加翅片或改变翅片样式来增大换热面积从而提高换热效率，都很难改变流体流动方向与温度梯度之间夹角几乎垂直的情况，也就是速度与温度梯度间的协同性较差。在翅片表面上设置纵向涡发生器可以扰动流场使流体产生旋转，是一种比较有效的强化换热途径。在翅片上加装纵向涡发生器不仅可以推迟因圆柱绕流而造成的边界层脱离，使流体与管体接触换热更为充分，并且可以产生二次流改变速度场和温度场的分布，导致速度方向与温度梯度方向夹角减小，换热效率得到很大提高，同时由于纵向涡发生器易于加工，所以，近十多年中对纵向涡强化换热的研究日益得到重视。在武俊梅等［２］的研究中，认为冲角为４５°的三角形小翼纵向涡发生器强化换热效果较好，而冲角为３０°时压降较小。楚攀等［３］将纵向涡发生器应用于椭圆管翅片换热器上，与圆管翅片换热器对比发现其平均Ｎｕｍ值提高３２．４％。鹿世化［４］使用４５°冲角的矩形小翼纵向涡发生器使翅片管的换热增加１０．４％～２４．６％，同时压力损失增加３０．５％～５７．２％。

现阶段很多学者对管板式翅片上加装纵向涡发生器进行了深入的实验研究，本文将对加装纵向涡发生器的圆形外翅片管管外流体流动及换热强化进行数值模拟及分析，应用场协同原理来进一步揭示纵向涡强化换热机理，为圆形翅片管强化传热的设计提供一些理论依据。

１·物理模型与数值计算方法

１．１物理模型

纵向涡发生器通常可以分为以下４种：三角翼、矩形翼纵向涡发生器和三角翅、矩形翅纵向涡发生器。另外，半球形突起后面也可以形成一对纵向涡［５］。在前文中提到，单就换热角度考虑，攻角为４５°的三角翼要好于３０°的三角翼。故本文采用三角翼型纵向涡发生器，设定攻角为４５°。鉴于文献［６］针对顺排管方式进行研究，本文选取换热管排列方式为正三角形排列，以期得到相关数据，作为该类型换热管研究的补充。图１为带纵向涡发生器的圆形翅片管换热器示意简图，由于模型结构的对称性，选取图１（ａ）中虚线间区域为计算单元，图１（ｂ）为三角翼型纵向涡发生器在圆形翅片间的位置，图１（ｃ）给出了三角形小翼在圆形翅片上的分布情况。三角形小翼和翅片管的详细尺寸见表１。本文在计算时对模型基于以下基本假设：①翅片导热系数认定为常数；②翅片高度远大于翅片厚度，认为翅片厚度方向不存在温度梯度；③热量通过对流方式散入空气中，忽略热辐射对传热的影响。

１．２数值计算控制方程

设定换热过程为稳态，压力速度耦合采用ＳＩＭＰＬＥ方法，换热管表面设定为恒定温度，翅片与流体温度耦合。控制方程包括三维、稳态常物性的连续性方程、动量方程和能量方程［６－８］：

其中，ｕｉ和ｕｋ分别是速度矢量ｕ在ｉ，ｋ方向上的分量，ρ 为流体密度，η 为动力黏度，λ 为流体传热系数，Ｔ为温度，ｃｐ为比热容，ｐ是流体微元上的压力。

１．３边界条件考虑到翅片厚度等因素的影响，计算单元入口处的速度会分布不均匀，所以将计算区域沿上游延长翅片净间距１０倍，同时为使出口边界条件充分发展，计算区域沿下游延长翅片净间距２０倍。翅片壁面及管壁区域为无滑移恒温壁面边界，流体区域的上下及两侧为对称边界。

２·计算结果及分析

２．１流场分析

为便于比较分析，同时模拟了不带纵向涡发生器的圆形翅片管换热器。图２给出了流场中温度模拟结果。由图２（ａ）可以看出，未加装纵向涡发生器的翅片管流场中，等温线均匀平滑，层次清晰，这是因为流体从流道中流过受到扰动较弱，流体与翅片的换热过程比较柔和。在圆管后方由于受到因圆柱绕流而引起的边界层分离现象影响，流体在逆压强梯度推动下产生倒流，使得管后区域换热效果较差。在图２（ｂ）中，受到纵向涡发生器的影响，流体的流动受到干扰，等温线分布紊乱，呈锯齿状，这主要是因为纵向涡的产生，搅动流体使不同温度流体加速混合，流速方向与温度梯度之间夹角减小，协同性更好。此外，三角小翼延迟了流体流经管体时的边界层分离，强化了管后区域换热效果。对比图２（ａ），（ｂ）可以看出，加装纵向涡发生器时，流体温度沿流动方向升高较快，管后高温区域明显大于未加装时，且冷热流体在纵向涡扰动下混合充分，流体间温度梯度显著减小。

流场中压力模拟结果见图３。带纵向涡发生器的翅片管流场进出口压降明显较大，且在安装三角小翼附近压力增大较快。这主要是因为对于没有三角形小翼的翅片管附近，空气从翅片间通道流过所遇到的阻力来自于翅片管的形状阻力和表面的摩擦阻力，且翅片管的形状阻力是空气压降产生的主要原因。当在翅片上加装三角小翼后，空气遇到的阻力不仅来自于翅片管的形状阻力和翅片表面的摩擦阻力，还有三角小翼的形状阻力。此外，由于受到三角形小翼的干扰，空气在流通时产生扰动，流体流向的变化等因素也会使压降增大，同时，三角形小翼的攻角角度对压降也有很大影响。

速度场的模拟对比结果如图４所示。在图４（ａ）中，不带纵向涡发生器时速度矢量平直均匀，在管后区域受到边界层脱离影响，形成大量漩涡。在图４（ｂ）中，由于三角形小翼的存在，换热管侧后方与小翼之间形成加速区，延迟了边界层脱离，管后漩涡区域明显减小，同时管下游流速有所增大，这些因素很大程度上对管后缘区域换热起到了强化作用。

此外，三角形小翼对换热强化最重要的贡献在于形成纵向漩涡，它不仅加强了管后空气的混合和扰动，更为重要的是改变了速度与温度梯度之间的协同性。图５是三角形小翼后侧流体速度截面图，可以明显看到流体流向发生偏转以及漩涡的生成。

２．２入口流速对换热的影响

将不同入口流速下换热量和压力损失模拟结果进行比较，结果见图６。随着速度的升高，相同工况下带纵向涡发生器的圆形翅片换热量递增速度高于不带纵向涡发生器的圆形翅片，表明在流速为１～５ｍ／ｓ时，带纵向涡发生器的圆形翅片仍可以有较好的换热效果。然而，入口流速增大的同时，由于受到纵向涡发生器的干扰，其流场进出口压降随着速度的增大而升高较快。这意味着，在较高流速时，利用纵向涡发生器产生的涡流虽仍然可以强化对流传热，但相应造成压力损失的增大将会超过换热量的增强，这对于换热设备的节能是很不利的。因此，对于安装纵向涡发生器的换热设备，不能过分增大入口空气流速。

２．３场协同性的分析场协同理论认为，减小速度和温度梯度之间的夹角是强化换热的根本机制。在大多数对流传热过程中，流体的流动方向基本上都是与热量传递方向接近垂直的，也就是速度矢量与热流矢量的夹角余弦几乎趋近于０，此时场协同性最差。但也正是因为这样，速度场与温度梯度场之间的协同程度的少许改变都会显著增强换热效果。基于这样的认为，在翅片上加装纵向涡发生器，从而使流体形成纵向漩涡可以有效的改善速度与温度之间的协同性。从图２的温度分布图及图４的速度矢量图中可以看出，未加装纵向涡发生器时，翅片及管附近流体等温线几乎与流体流动方向平行，速度与温度梯度这两个矢量几乎垂直，此时场协同性较差，换热效果相对不好。加装纵向涡发生器后，产生的二次流改善了温度梯度场和速度场的分布情况，纵向漩涡使得速度方向偏转，减小了其与温度梯度间的夹角，改善了场协同性，从而强化了换热效果。

３·结论

通过对纵向涡发生器换热机理的三维数值模拟，得到了在带有纵向涡发生器时流场中温度、压力、速度的分布情况，并与不带纵向涡发生器的换热管进行对比，得到结论：

（１）在圆形外翅片管上加装纵向涡发生器可以有效增强换热管的换热效果，其主要原因在于，三角形小翼对流体流动产生干扰，形成纵向涡，它的存在破坏了边界层的发展，延迟了流体绕流时边界层的脱离，使管后不利于换热的漩涡区域流体被卷入流体主流，增强了不同温度间流体的混合。

（２）在翅片上加装三角形小翼后，对流体的流动产生阻碍，使流场进出口两端压力损失增大，这增大了换热时所需的机械能，成为加装纵向涡发生器不利于换热的一个方面。

（３）通过对流场速度矢量与温度分布的分析，发现纵向涡强化换热的实质为减小速度与温度梯度之间的夹角，从而改善速度场与温度场之间的协同性。

参考文献：

［１］刘志伟．圆形翅片导热的翅片效率［Ｊ］．辽宁石油化工大学学报，２００５，２５（１）：２７－２９．

［２］武俊梅，陶文铨．纵向涡强化换热的数值研究及场协同原理分析［Ｊ］．西安交通大学学报，２００６，４０（７）：７５７－７６１．

［３］楚攀，何雅玲，李瑞，等．带纵向涡发生器的椭圆管翅片换热器数值分析［Ｊ］．工程热物理学报，２００８，２９（３）：４８８－４９０．

［４］鹿世化．带有纵向涡发生器的翅片管的流动与传热数值研究［Ｊ］．低温与超导，２０１０，３８（４）：６６－６９．

［５］李志信，过增元．对流传热优化的场协同理论［Ｍ］．北京：科学出版社，２０１０．

［６］陶文铨．传热与流动问题的多尺度数值模拟：方法与应用［Ｍ］．北京：科学出版社，２００９．