文档介绍：中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号:123080
管内添加翼型翅片强化层流对流换热国家重点基础研究发展计划(973:2007CB206903)和山东省科技攻关项目(2008GG10007009)资助。
通讯作者:田茂诚(1965~),山东大学能源与动力工程学院,教授/博导。
车翠翠,田茂诚*,冷学礼,唐玉峰
(山东大学能源与动力工程学院济南250061)
(Tel:0531-88395421,Email:541369510@)
摘要:利用三维数值模拟,分析了圆管内添加翼型翅片后流体的流动结构和换热特性。结果表明,在层流状态下翼型翅片能够有效诱导纵向涡的产生。在纵向涡的作用下,壁面和主流流体的对流传热得到强化,有效提高了截面内温度分布的均匀性,壁面的温度梯度可提高近一个数量级。与光滑通道相比,壁面局部Nu数可提高近50倍。
关键词:翼型翅片;纵向涡;强化换热
1 前言
由于世界能源的紧缺,航空、航天和核聚变等尖端技术的发展,强化传热技术在近几十年来获得了广泛的重视和研究。在强化对流换热的众多技术中,诱导通道内流体发生旋涡流动是提高对流换热的有效方法。漩涡的结构可以分为两种:一种是旋转轴垂直于主流流动方向的二维横向涡,一种是旋转轴和流动方向相同的三维纵向涡[1]。其中,纵向涡在沿流动方向发展的过程中,可以对壁面边界层产生持续扰动,且能够有效增强主流与壁面之间的质量交换,因此强化传热的效果比较显著,已经在紧凑式换热器中获得了广泛的应用[2]。
Biswan[3,4,5,6,7]等对通道内安装翼型涡流发生器后的流场和温度场进行了详细研究,得出翼型涡流发生器能有效诱导纵向涡的产生,对下游流体影响强烈,有利于强化换热。与各种翼型涡流发生器相比,梯形扰流片提高了湍流混合和传热的同时降低了能耗[8]。Kaci等[9]通过对比发现内插梯形扰流片比其他强化换热管的传热系数提高了20%,并且摩擦因子下降了20%~30%。针对湍流流动,Charbel等[10,11]在圆形截面通道内布置四个梯形扰流片,并分别对顺排、错排和逆排三种排列方式进行比较。利用数值分析和激光多普勒技术对其流场进行分析,得出逆排的性能最好,但功耗较大。Hakim等[12,13]指出沿流动发展的纵向涡产生了湍流宏观结构,大大提高了径向对流换热。
鉴于梯形翅片对圆形截面通道内层流的影响鲜有报道,本文通过数值模拟的方法探究在层流状态下,管内添加翅片产生的旋涡结构以及对速度场和温度场的影响,对其强化换热机理进行了具体分析。
2 物理模型及网格划分
物理模型
如图1所示,为圆管内置梯形纵向涡发生器的物理模型,纵向涡发生器共六个沿圆周均匀布置,由于管内流动沿圆周方向具有对称性,因此在模拟时选取包含一个翅片的1/6通道作为研究对象。圆形通道长度为120mm,内径20mm。梯形翅片上边长3mm,下边长5mm,紧贴壁面与流动方向呈45°向前倾斜放置,上边距离壁面高度为4mm。
图1 翼型翅片的物理模型及尺寸
网格划分
上述物理模型的网格划分采用FLUENT自带的前处理软件Gambit,为提高生成网格的质量,在划分网格时将整个计算区域分为四个部分,以便于对包含翅片的区域使用适应性比较强的非结构化四面体网格,而其余区域内可以使用规则的结构化六面体网格。图2所示为