纵向涡传热应用于优化总结

纵向涡发生器在管翅式换热器中的应用及优化摘要：纵向涡发生器能够在较大幅度提升换热器换热能力的同时,较小幅度地增加其流动阻力。

利用三维数值模拟的方法，详细分析和研究了纵向涡发生器对管翅式换热器传热流动的影响。

并对纵向涡发生器的关键参数（攻角、数目、摆放位置）进行了优化。

一、引言管翅式换热器在工业领域和日常生活中有着广泛的应用，例如暖通、制冷与空调、汽车、石油化工等。

通常，翅片侧（即管外侧）的工质为气体，而气体侧的热阻占此类换热器总热阻的80%～90%是换热环节的主要热阻，因此如何减小气体侧热阻，强化气体侧的换热成为研究的重点。

为了强化管外空气的换热，人们在管外加装各种翅片。

如下图所示，从最初的平翅片到后来的波纹翅片，开缝翅片，百叶窗翅片等。

A波纹翅片B开缝翅片C百叶窗翅片图1各类翅片结构这些翅片大大的增加了换热面积，同时改变了主流方向，增强了流体扰动,破坏了边界层的连续，属于主流强化传热，主流强化在增强换热的同时也带来了很大的阻力损失。

另一种强化换热的方式为二次流强化换热。

它通过改变二次流的分布来强化换热，能够以较小的阻力代价获取较大的强化换热效果。

纵向涡的产生属于二次流强化换热方式，目前纵向涡发生器作为一种无源强化技术已成为强化换热方面研究的热点之一。

按照场协同原理，纵向涡传热强化机理可以进一步解释为：在没有加纵向涡发生器时，竖直放置的发热平板附近液体的强制对流速度方向为垂直方向，而温度梯度接近垂直于平板方向即水平方向，速度与温度梯度的夹角接近90。

，换热效果较差；加了纵向涡发生器以后，纵向涡使流体有了垂直于平板的速度分量，从而改变了速度的方向，使得速度矢量与热流矢量的夹角变小，从而增大了对流换热系数，使换热增强。

本文针对纵向涡强化型管翅式换热器建立了三维计算模型，对“上升流型”摆放方式的纵向涡发生器在管翅式换热器中的应用进行了更为系统的优化分析。

深入研究了纵向涡发生器的攻角，纵向涡发生器的个数以及纵向涡发生器的摆放形式等参数对管翅式换热器换热流动特性的影响，并对纵向涡发生器的关键参数进行了优化研究。

二、物理模型图2给出了在管翅式换热器中最常用的4种纵向涡发生器，从左到右依次为三角翼、矩形翼、三角形小翼、矩形小翼。

图24种不同类型的纵向涡发生器本文采用矩形小翼型的纵向涡发生器（如图3所示），并将纵向涡发生器以“上升流型”的形式布置在换热管的两侧，与换热管间形成了渐缩型的通道。

本文所研究的纵向涡发生器的布置形式可以同时实现纵向涡强化换热和射流冲击强化换热，被渐缩型通道加速的流体不仅能够射流冲击强化换热，还能够抑制换热管束上的流动边界层分离现象。

高速射流和强烈旋转的二次流一起作用在换热管束及其尾迹区，最终减小了换热管后的尾迹区，达到了减小换热管形状阻力的目的。

图3换热器结构一对矩形小翼被对称地安装在换热管两侧,矩形小翼的高度为翅片间距的60%,即2.18mm长度为10.67mm,换热器的翅片间距为3.63。

纵向涡发生器攻角的大小用α来表示。

表1给出了纵向涡强化型管翅式换热器的主要几何尺寸及初始参数。

三、数学模型3.1控制方程与边界条件由于管外侧空气流速低（R e<1000）,所以假设整个流动过程是稳态的,控制方程包括三维,稳态,不可压常物性的连续性方程,动量方程和能量方程.采用SIMPLE算法耦合速度与压力。

表1纵向涡强化型管翅式换热器的主要几何尺寸及初始参数计算区域向上游延长0.5倍翅片长度，向下游延长5倍翅片长度。

进口边界条件为轴向速度、温度均匀分布，出口为充分发展边界条件；计算区域的前后边界（即侧面）为对称性边界条件；计算区域的上、下边界为周期性边界条件；所有的固体表面（翅片表面、换热管表面及涡发生器表面）为无滑移边界条件。

3.2数据处理在本文的计算中，Reynolds数和Nusselt数的定义如下R e=ρV m Dℎ/μ,N u=ℎDℎ/λ(1) 摩擦因子和传热科尔伯恩因子的定义如下f=∆PρV m22A TA min ,j=StPr23,St=ℎρV m c p(2)传热系数与对数平均温差的定义如下ℎ=QA T∆T ,∆T=T w−T in−T w−T outln⁡[ T w−T inw out](3)换热量及沿程压损的定义如下Q=mc p(T out−T in),∆p=p in−p out(4) 为说明换热器沿程换热性能的变化，同样对沿程Nusselt数作出定义如下N u(x)=1BN u(x,y)Bdy(5)式中B为y计算方向上的宽度，N u(x，y)为壁面的局部Nusselt数，计算公式如下N u(x，y)=q w PrRep w b0(6)四、结果与分析4.1纵向涡发生器攻角的优化图4为不同攻角的矩形小翼型纵向涡发生器的布置情况，攻角α=10°，20°，30°。

图4不同攻角的换热器结构图5给了R e=850时，垂直于翅片高度方向的中间截面上(Z=1.8mm)的流线分布图和温度分布图，5(a)是未加纵向涡发生器时的情况，可以看到：在换热管的尾部流速很低，尾迹区的流线说明了在换热管的尾部存在回流现象，而且在尾迹区的温度梯度变化非常小，不利于换热。

加了纵向涡发生器之后，由图5(b)~(d)可以看到,流线被拉伸并朝换热管尾迹区中间弯曲,在尾迹区的温度梯度增大,有利于强化换热，纵向涡和来自渐缩通道的高速喷射流将高动量的流体引入换热管后的尾迹区,有效地压缩并减小了尾迹回流区的尺寸。

随着纵向涡发生器攻角的增加?纵向涡的强度也不断变大。

流线朝尾迹区中央弯曲的程度越来越高，同时对应的尾迹区的尺寸也逐渐减小。

图5不同纵向涡攻角下流道内的流线分布和温度分布图图6给出了换热器在不同攻角下全场平均传热系数和压降随R e的变化情况。

图6(a)所示为不同攻角下换热器空气侧传热系数的对比。

随着R e的增加，换热器流道内热边界层变薄，在纵向涡的作用下冷热流体的混合加剧，最终使得整场的传热系数得到提升，与基本结构相比，在计算的范围内（R e=575~880）,攻角α=10°，20°，30°的强化结构将换热器管外侧的传热系数分别提高了28.8%~34.5%、54.6%~61.5%、83.3%~89.7%。

强化传热的同时往往伴随着压力的增加，与基本结构相比沿程的压降分别增加了21.9%~26.9%、58.1%~61.9%、119.2%~125.3%。

图7是不同纵向涡发生器攻角下换热器综合性能j/f随R e的变化情况，与基本结构相比，在计算的范围（R e=575~880）攻角α=10°的强化结构将换热器的综合性能指标j/f提高了1.4%~10.3%，对于攻角为α=20°的强化结构，在Re<800时,j/f要比基本结构的差,在Re>800时j/f要比基本结构好。

对攻角α=30°的强化结构，在整个Re范围内其综合性能j/f一直低于基本结构。

图7不同纵向涡发生器攻角下换热器综合性能j/f的对比本文认为在4个不同结构的换热器中α=10°和20°强化作用较好，同时考虑到α=10°时的换热强化作用只达30%左右，而α=20°可以将空气测的换热能力强化60%左右，而且在R e较大时（R e＞800），可以保证换热增加幅度大于沿程压降增加的幅度，达到了强化换热（j j0)/(f f0)>1最难完成指标。

4.2 纵向涡发生器数目对换热流动的影响图8是不同纵向涡发生器个数下换热器的结构示意图，本文采用的纵向涡发生器为矩形小翼对，在计算中，纵向涡发生器的攻角设定为α=20°，R e=575~880，换热管排数为7图8(a)为1对矩形小翼（1—RWPs），图8(b)为3对矩形小翼（3—RWPs），图8（c）为7对矩形小翼（7—RWPs）。

图8 不同纵向涡发生器数目的换热器结构图9 不同纵向涡发生器个数下换热器流道内速度大小的分布 图10 同纵向涡发生器个数下换热器流道温度场的分布图9给出了不同纵向涡发生器个数下换热器流道内的速度大小分布，由图可以清晰看到3个不同结构下换热器的高动量区域。

流体在经过纵向涡发生器后，部分流体发展成高速旋转的二次流，部分流体被渐缩的狭长通道加速。

1—RWPs 的情况下，流体只在第1根换热管附近被加速，在3—RWPs 的情况下，流体在第1、第3、第5根换热管附近被逐步加速，在7—RWPs 的情况下，流体在每1根换热管附件都被加速。

纵向涡发生器下游的流体速度随着流动的发展逐渐变大。

同样在图10中，在1—RWPs 的结构里，第1根换热管后的温度梯度比其余换热管后的温度梯度都要大，在3—RWPs 结构中，第3、第5根换热管后的温度梯度要大于1—RWPs 结构中对应换热管后的温度梯度；对比3—RWPs 和7—RWPs 结构中的温度分布?可以发现在7—RWPs 结构中每1根换热管后的温度梯度都较3—RWPs 结构中对应换热管后的温度梯度要大一些。

图11给出了不同纵向涡发生器个数下换热器的流动传热特性的对比，图a 给出了空气侧传热系数在不同换热器结构下的对比,由图可得,与基本结构相比,在计算的Re 范围内1—RWPs,3—RWPs,7—RWPs 的空气侧传热系数分别提升了22.7%~25.5%、54.6%~61.5%、87.5%~105.1%。

更多的纵向涡发生器得到更大的换热能力的提升，但同时，也增加了流动阻力。

图b 给出了不同纵向涡发生器个数下沿程压降的对比,与基本结构相比分别升高了22%~24.5%、58.1%~62%、123%~127.6%。

图c给出了不同纵向涡发生器个数下换热器的综合性能j/f的对比,由图可知，和基本结构相比7—RWPs结构下的综合性j/f在计算的Re 范围内一直小于基本结构，1—RWPs结构将换热器的综合性能指标j/f提高了1.7%~2.7%结构3—RWPs将换热器的综合性能指标增加了0.7%~2.0%。

（a）（b）（c）图11 不同纵向涡发生器个数下换热器的流动传热特性的对比4.3纵向涡发生器的布置位置对流动换热的影响图12给出了纵向涡发生器在顺排布置和叉排布置下的示意图。

图（a）为纵向涡发生器的顺排布置示意图,3对矩形小翼对称的分布在第1、第3、第5根换热管的两侧，图（b）为纵向涡发生器叉排布置示意图,6个矩形小翼有规律地交叉布置在第1~第6根换热管的侧面,两种纵向涡发生器结构下的矩形小翼数目相等。

向涡发生器的攻角为α=20°，R e=575~880，换热管管排数为7。

图13所示为不同纵向涡发生器布置形式下流动传热特性的对比，图（a）为不同纵向涡布置形式下空气侧传热系数的对比在计算的。