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:123287
一种正交波纹流道的几何参数对
其特性的影响研究
王永庆,王珂,古新
(郑州大学河南省过程传热与节能重点实验室,郑州 450002)
(Tel: 0371-63887823-8023, Email:******@zzu.)
摘要本文在低雷诺数下,以具有正交波纹的一种新型对流传热强化流道为对象,研究与分析其几何参数对于流道内流体流动与传热特性。采用正交实验的方法设计了参数组合,应用周期性单元流道的方法,研究流道内流动与传热充分发展段的特性。结果表明,受流道的影响和流体黏性力的作用,流道参数波纹高度与长度之比a/l值和波纹高度与流道截面宽度或高度之比a/w或a/h值,对流道特性有较大的影响。当a/l值较小时,波纹对流体的扰动较小,强化传热的效果会较小。当a/l值较大时,流道中波纹对流体的扰动相对较大,流线在流道中的变化较大,有利于传热。应优先选择恰当的a/l值,并对管内强化对流方式下的传热和流动阻力的综合热力性能进行了评价。
关键词新型结构;CFD;传热强化。
0 前言
能源是经济发展的基础,能源短缺以及由能源消费引起的环境问题是全球化的问题。20世纪70年代初出现的世界性能源危机,使传热强化技术获得了快速发展,受到科技界和工业界的广泛重视[1, 2]。
对流只发生在流动介质中,在流动介质中热量的传递是与介质本身的移动是密切联系的。在对流换热过程中,流体微团的宏观运动通常起着支配作用[1]。对流换热的传热强化方法和装置多种多样,根据传统的传热强化理论,其强化的物理机制可分为[2-7]:(1)增大主流区和近壁处流体间的混合,增加近壁面附近流体的速度梯度(如采用粗糙表面、添加物等);(2)减薄或破坏边界层(如采用射流冲击、扩展表面等);(3)流动旋转或形成二次流(如采用涡流发生器等);(4)增加流体的扰动、湍动(如采用粗糙表面等)。
湍流会造成较大的边界剪切力,一些在流动与传热过程比较敏感的生物、化学或食品行业中的流体,由于含有容易被较大剪切力破坏的长分子链结构,根据工艺要求,一般在低流速情况下混合或加热。而许多的紧凑式换热器,由于具有很高的传热面积密度,为了追求较大的经济性,一般要求流体在低流速下运行。针对这些情况,本文研究一种新型传热流道在较低雷诺数下,其几何尺寸对流体流动与传热特性的影响进行了研究与分析。
基金项目:中国博士后科学基金项目(2011M501187)
1 具有正交波纹结构流道及研究参数选择
具有正交波纹作为基本单元,组成一种新型传热流道,流体在流道中周期性地重复流过正交波纹单元,从而在低雷诺数下获得更好的传热效果,如图1所示。波纹采用余弦形式,波纹高度为2a,长度为l,流道截面的宽和高分别为w,h。
(a) 正视图(b) 俯视图
图1 具有正交波纹的流道单元
对于具有波纹形式的流道内的对流传热与传质已经进行了较多的应用与研究,在对板式换热器板片性能的研究中发现,波纹高度的影响至关重要,而且波纹的形状对压降的影响比对传热的影响更大[8~11]。
为了分析传热流道中,几何结构参数对流体流动和传热的影响,参考紧凑式换热器流道中常用的几何参数取值范围,对w、h、a、l四个因素,三个水平,设计正交实验。实验中,w的取值为4、5、6mm,h的取值为3、5