不同排列方式下三角翼波紋翅片管換熱器的換熱性能比較

1、第29卷第1期 2009年1月動 力 工 程Jo urnal o f Pow er Engineering收稿日期:2008 05 14基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(No.50736005;國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973資助項(xiàng)目(2007CB206902作者簡介:田麗亭(1979 ,女,河南林州人,博士研究生,主要從事強(qiáng)化傳熱方面的研究.文章編號:1000 6761(200901 0078 06 中圖分類號:T K 124 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 學(xué)科分類號:470.10不同排列方式下三角翼波紋翅片管換熱器的換熱性能比較田麗亭, 何雅玲, 楚 攀, 雷勇剛關(guān)鍵詞:換熱器;三角翼波紋翅片;縱

2、向渦;叉排;順排;換熱性能H eat Transfer Performance Com parison of Wavy Finned Tube HeatExchanger with Delta Winglets Under Different ArraysT I A N L i ting , H E Ya ling , CH U P an, L EI Yong gang(State Key Lab of M ultiphase Flow in Pow er Eng ineer ing,Schoo l of Energy &Pow er Engineering ,Xi an Jiaoto

3、ng Univ er sity,Xi an 710049,ChinaAbstract:3D num er ical simulatio ns w er e perfo rmed to investigate the flow and heat tr ansfer characteristics of the w av y finned tube heat ex changer w ith delta w ing vortex g enerato rs.T hree row s of r ound tubes w ith in lined or stagg ered ar rang em ent

4、s are studied.Results show that the longitudinal vo rtex gener ated by the delta w ing let includes a main vortex and a co rner vertex.For in lined array,the lo ng itudinal v ortices not only im pro ve the heat transfer of the w ake region,but also greatly enhance the heat transfer o f the dow nstre

5、am tube w all of the delta w ing let.While for staggered array,longitudinal vo rtices are inhibited immediately by the dow nstream w ave trough,so the enhancem ent of heat transfer o nly exists in the w ake region.When Re D c is 3000,co mpared w ith the w av y fin w ithout delta w inglet,the j and f

6、 factors of the w av y fin w ith delta w ing lets in in lined and stag gered arr ay s are increased by 15.4%,10.5%and 13.1%,7.0%,respectively.T he long itudinal v ortices g enerated by delta w ing let im pro ve the heat transfer performance o f w av y finned tube heat ex chang er fo r both in lined

7、and staggered arrays.Key words:heat exchanger;w avy fin w ith delta w ing let;longitudinal vor tices;in lined arr ay ;stagg er ed ar ray;heat transfer performance管翅式換熱器廣泛應(yīng)用于能源、動力、化工、冶金和食品加工等諸多行業(yè)中.由于管外空氣熱物性的限制,管翅式換熱器的熱阻主要集中于管外,管外熱阻占總熱阻的80%90%.為了強(qiáng)化管外空氣的換熱,人們在管外加裝各種翅片,從最初的平翅片,一直發(fā)展到后來的波紋翅片、開縫翅片及百葉窗翅片.這些

8、翅片大大增加了空氣換熱面積,同時(shí)改變了主流方向,增強(qiáng)了流體擾動,減薄或者破壞了熱邊界層的連續(xù)發(fā)展,使換熱加強(qiáng).這種強(qiáng)化換熱方式是主流強(qiáng)化換熱,在增強(qiáng)換熱的同時(shí)也帶來了很大的阻力損失.而另一種強(qiáng)化換熱的方式為二次流強(qiáng)化換熱,它通過改變二次流的分布來強(qiáng)化換熱,能夠以較小的阻力代價(jià)獲取較大的強(qiáng)化換熱效果.縱向渦的產(chǎn)生屬于二次流強(qiáng)化換熱方式,目前縱向渦發(fā)生器作為一種無源強(qiáng)化換熱技術(shù)已成為強(qiáng)化換熱方面研究的熱點(diǎn)之一.文獻(xiàn)1 8研究了加裝有渦發(fā)生器的各種管翅式換熱器的流動換熱特性,包括平翅片、開縫翅片、百葉窗翅片以及扁平管翅片換熱器.在所查閱的文獻(xiàn)中尚未發(fā)現(xiàn)波紋翅片管換熱器中應(yīng)用縱向渦發(fā)生器的相關(guān)研究,故

9、筆者針對加裝三角翼渦發(fā)生器的波紋翅片管換熱器的流動換熱特性進(jìn)行了研究.換熱器翅片模型示于圖 1.(a 叉排(b順排圖1 三角翼波紋翅片示意圖Fig.1 S chematic of w avy fins w ith d elta w inglets波紋翅片可改變空氣的來流方向,增加換熱面積,增強(qiáng)空氣側(cè)的擾動,但換熱管后部依舊存在大面積的尾跡區(qū),導(dǎo)致局部換熱惡化.而渦發(fā)生器的加入可改善這些情況,使換熱增強(qiáng).通常換熱管有叉排和順排2種排列方式,筆者對沖有三角翼渦發(fā)生器的波紋翅片管換熱器進(jìn)行了三維數(shù)值模擬,并就換熱管在叉排和順排2種排列方式下的流動換熱特性進(jìn)行了對比分析,為進(jìn)一步設(shè)計(jì)高性能換熱器提供基

10、礎(chǔ)數(shù)據(jù).1 計(jì)算模型計(jì)算模型示于圖2.在波紋翅片管換熱器中,3 排換熱圓管分叉排和順排2種方式排列,每排換熱管側(cè)后方的翅片上均對稱沖有1對三角形小翼,三角翼垂直于波紋翅片.管外徑D c =10.55m m,橫向間距P t =25.00m m,縱向間距P l =21.65mm,翅片厚度 =0.2mm,翅片間距F p = 3.2mm,翅片波紋角度 =15 .三角翼翼高h(yuǎn) = 2.5mm ,弦長l =5m m,由于三角翼是從波紋翅片上沖出來的,所以三角翼厚度與翅片厚度相同,w =0.2m m,三角翼與空氣來流方向的攻角 =30 ,三角翼在波紋翅片上的具體位置示于圖2.(a主視圖(b叉排俯視圖(c順排

11、俯視圖圖2 三角翼波紋翅片管換熱器的幾何尺寸及計(jì)算區(qū)域示意圖Fig.2 Schem atic of geometrical siz es and com putational domain ofthe w avy finned tube heat exchanger w ith delta w inglets由于翅片結(jié)構(gòu)的對稱性,取圖2中虛線所示范圍為計(jì)算區(qū)域,上下翅片的中心面取為計(jì)算區(qū)域的上下面.在計(jì)算區(qū)域中,除了翅片通道內(nèi)的流體,還包括了翅片及三角翼固體部分,這里考慮了翅片及三角翼的導(dǎo)熱因素,在數(shù)值模擬中,包括了翅片間流體與翅片及三角翼固體的換熱耦合計(jì)算.為了邊界條件實(shí)施的合理性,計(jì)算區(qū)域

12、從翅片通道入口向上游延長了10倍翅片間距,從通道出口向下游延長了30倍翅片間距(圖2.2 計(jì)算方法2.1 控制方程及邊界條件由于空氣在翅片間溫度變化不大,所以認(rèn)為空氣的物性為定值,特征溫度取為進(jìn)出口的平均溫度,把通道中的流動簡化為三維常物性穩(wěn)態(tài)流動.三角翼產(chǎn)生的縱向渦增強(qiáng)了通道內(nèi)流體擾動,計(jì)算模型79 第1期田麗亭,等:不同排列方式下三角翼波紋翅片管換熱器的換熱性能比較采用了RNG k - 模型9,它能夠較好地捕捉流場中的渦旋特性,控制方程在文獻(xiàn)9中已有充分介紹,此處從略.計(jì)算區(qū)域邊界條件設(shè)置如下:入口:速度邊界條件,u =u in ,v =0,w =0,T =T in ,湍流強(qiáng)度I =0.1

13、6(R e DH -1/8;出口:局部單向化假設(shè);y 方向的上下邊界面:前后延長段采用周期性邊界條件,由于翅片的厚度與長度、寬度相比非常小,可認(rèn)為翅片的溫度在厚度方向無變化,故翅片壁面取為速度無滑移的絕熱固體面,上下翅片面沖出的三角翼孔取為周期性邊界條件;z 方向的前后邊界面:流體區(qū)采用對稱性邊界條件,翅片壁面為速度無滑移的絕熱固體面,換熱管壁面為給定溫度T w 的速度無滑移固體面;采用Fluent 商業(yè)軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算.由于通道中三角翼與主流成一定攻角布置,致使三角翼周圍結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,故在網(wǎng)格生成過程中,對計(jì)算區(qū)域進(jìn)行了分塊處理:三角翼的區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化的四面體網(wǎng)格,其他區(qū)域采用六面體網(wǎng)格.

14、生成網(wǎng)格時(shí),分別定義各邊上的節(jié)點(diǎn)數(shù)以控制各塊網(wǎng)格的疏密.換熱圓管及三角翼附近網(wǎng)格分布示于圖 3.圖3 圓管及三角翼附近的網(wǎng)格分布圖Fig.3 Grid distribution aroun d the r ou nd tub e and delta winglet在計(jì)算中,采用有限容積法對控制方程進(jìn)行離散,壓力和速度的耦合采用SIM PLE 算法,對流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散,擴(kuò)散項(xiàng)采用中心差分格式離散.3 參數(shù)定義在換熱器的數(shù)據(jù)分析中,特征長度通常有多種取法,如換熱管外徑、翅片間距及水力直徑等,這里采用換熱管外徑D c 作為特征長度,其雷諾數(shù)定義如下:雷諾數(shù):R e Dc = u m D

15、c(1式中:u m 為通道最小截面處的平均流速,m/s ; 為流體密度,kg/m 3; 為流體動力粘性系數(shù),kg/(m s .努謝爾數(shù):N u =hD c(2式中: 為流體導(dǎo)熱系數(shù),W/(m k.換熱系數(shù):h =Q 0A 0 T(3式中: T 為對數(shù)平均溫差,K;A 0為包括翅片和換熱管在內(nèi)的總換熱面積,m 2.翅片總效率: 0=1-A fA 0(1- f (4式中:A f 是翅片面積,m 2.翅片效率 f 的計(jì)算采用Schm idt 方法10:f =tanh (mr mr (5式中:r =0.5D c .橫向平均的局部換熱系數(shù)h x 的定義如下:h x =q xT f ,x -T a ,x(

16、6式中:q x 為局部熱流密度,W/m 2;T f,x 為局部流體平均溫度,K;T a,x 為局部壁面平均溫度,K.流動截面的渦通量 x 定義為 x = d A =( U d A (7式中:U 為流體速度矢量,m /s ;A 為流動截面面積,m 2.換熱、流動特性由j 、f 因子來表征:j =N u ReP r 1/3=h u m c p Pr 2/3(8f =p 12u 2m A cA 0(9式中:c p 為流體比定壓熱容,J/(kg K; p 為通道進(jìn)出口壓差,Pa;A c 為通道最小截面面積,m 2;Pr 為普朗特?cái)?shù).4 結(jié)果與分析在空氣進(jìn)口雷諾數(shù)Re D c =3000的條件下,對沖有

17、三角翼渦發(fā)生器的波紋翅片管換熱器進(jìn)行了數(shù)值模擬,對比研究了叉排和順排2種排列方式下的流動換熱特性.4.1 三角翼產(chǎn)生的縱向渦情況當(dāng)流體流經(jīng)位于圓管側(cè)后方?jīng)_出的三角翼時(shí),由于迎流面和背面之間的壓差作用,在三角翼的下游產(chǎn)生了縱向渦,其渦的旋轉(zhuǎn)主軸與主流方向一致,并隨著主流向下游發(fā)展.圖4是位于三角翼下游x =21m m 截面的二次流速度分布圖.從圖4可看出,80動 力 工 程第29卷圖4 三角翼下游截面x=21mm的二次流速度分布圖Fig.4 Secondar y flow velocity distribu tion at th e down stream cross s ection(x=21

18、m mof th e delta w inglet在每個(gè)三角翼的下游出現(xiàn)了2個(gè)渦,1個(gè)是正位于三角翼下游的主渦,左邊的主渦按順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn),右邊的主渦按逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn).它主要是由于流體經(jīng)過三角翼前緣(斜邊時(shí)的壓力差所引起的,這個(gè)縱向渦的強(qiáng)度比較大,它引起的二次流使主流沖入尾跡區(qū),使流體沖擊翅片表面,改變了翅片表面的速度梯度.另外,在主渦的外圍還存在1個(gè)角渦,這個(gè)角渦具有馬蹄渦的特性,位于三角翼迎流面和翅片的接合處,由于端壁效應(yīng),流體產(chǎn)生了角渦,這個(gè)角渦在主流作用下繞過三角翼向下游發(fā)展,其強(qiáng)度小于主渦.4.2 通道內(nèi)流動特性的比較排列方式的不同必然會影響縱向渦的下游發(fā)展,圖5表示在不同排列方式下

19、流動截面渦通量 x 的沿程變化.圖中陰影部分表示換熱圓管所在的x 位置.從圖5可看出: 由于通道流通面積的周期性變化, x也呈明顯的周期性變化; 在圓管位置,由于通道流通面積減小,空氣流動速度增大,使得 x 變小,流通面積最小處空氣速度最大, x最小; 叉排布置中第2、3排管子的前端都有1個(gè) x的局部最高值,這主要是因?yàn)榈?、3排管子前駐點(diǎn)處存在流體的直接沖擊,在此由于端壁效應(yīng)形成馬蹄渦,而在順排布置中,2、3排管子前駐點(diǎn)都處于上一排管子的尾跡區(qū)內(nèi); 三角翼產(chǎn)生的縱向渦使得圓管后部的 x大大加強(qiáng),順排布置中,與無三角翼的波紋翅片相比, x在三角翼下游有較大范圍的增加,直到下排管子中心位置相對應(yīng)

20、的x坐標(biāo)處才恢復(fù)到與波紋翅片相當(dāng)?shù)乃?在叉排布置中,縱向渦產(chǎn)生的 x在遇到后一個(gè)波谷時(shí)急劇下降,馬上恢復(fù)到和波紋翅片相當(dāng)?shù)乃?這說明叉排布置時(shí)三角翼產(chǎn)生的縱向渦在遇到后一個(gè)波谷時(shí),由于下一排圓管的阻擋以及主流方向的改變,很快被抑制,而未能 隨著主流向下游發(fā)展較長距離.圖5 截面渦通量 x的沿程變化圖Fig.5 Distribution of vortex flux( xalong th e flow channel圖6是通道截面壓力的沿程變化圖.從圖6可看出,在每排管子處,由于形狀阻力的原因,均有一個(gè)較大的壓降存在,在三角翼所處位置只出現(xiàn)了很小的壓降,這是由于三角翼形狀窄長,迎流面積小,它

21、引起的形狀阻力及沿程阻力均很小.與圓管的形狀阻力及波紋通道的沿程阻力相比,三角翼引起的壓力變化在圖6中并不明顯.圖6 截面壓力p的沿程變化圖Fig.6 Dis tribution of average p ress ure(palong the flow chan nel 4.3 通道內(nèi)換熱特性的比較三角翼產(chǎn)生的縱向渦對通道翅片表面h x的影響示于圖7.在翅片最前段,由于此處邊界層剛開始形成,厚度很薄,故翅片最前段換熱系數(shù)最大,換熱最強(qiáng).隨著流動的發(fā)展,邊界層增厚,換熱很快減弱.在順排布置中,管排之間存在大面積的尾跡區(qū),導(dǎo)致管排之間熱流密度較小,而三角翼產(chǎn)生的縱向渦大大強(qiáng)化了管排之間的換熱系數(shù)

22、,在圖中表現(xiàn)為在管排之間均形成一個(gè)h x的峰值.在叉排布置中,與順排不同的主要是:在每排圓管的前端,前滯止點(diǎn)處流體直接沖擊管面,由于端壁效應(yīng)產(chǎn)生馬蹄渦,馬蹄渦在主流的作用下繞圓管向下游發(fā)展,局部換熱得到強(qiáng)化,在每排管子的前端均形成一個(gè)熱流密度的峰值,而后隨著邊界層的發(fā)展,熱流密度沿流向減小.同樣,每排圓管尾部流體脫體產(chǎn)生回流渦旋,形成大面積的尾跡區(qū),換熱惡化.與順排一樣,三角翼布置81第1期田麗亭,等:不同排列方式下三角翼波紋翅片管換熱器的換熱性能比較 (a 順排(b叉排圖7 橫向平均局部換熱系數(shù)h x 的沿程變化圖Fig.7Distrib ution of transver sal aver

23、age local h eat tran sfer coefficien t (h x along the flow channel于圓管的側(cè)后方,流經(jīng)三角翼,分離產(chǎn)生縱向渦,與主流方向垂直的二次流加劇了局部流體的混合,尾跡區(qū)覆蓋面積被壓縮,局部換熱顯著強(qiáng)化.從圖7可看出,在圓管尾部,由于縱向渦的存在形成了1個(gè)新的熱流密度峰值.總之,在順排和叉排布置中,三角翼產(chǎn)生的縱向渦大大改善了尾跡區(qū)的換熱效果,這正好彌補(bǔ)了波紋翅片中換熱最為惡劣的部分. 為了研究三角翼產(chǎn)生的縱向渦對圓管后部尾跡區(qū)的影響,筆者分析了各排換熱管壁面的局部熱流密度隨角度 的變化情況(圖8.圖8(a是順排布置時(shí)的變化情況.從圖中可

24、看出: 第1排管和第2、3排管的q av 隨角度的變化趨勢差別很大,第1排管子在前駐點(diǎn)處q av 很大,當(dāng) 大于100 左右時(shí),管子壁面被尾跡流覆蓋,q av 很快下降,而縱向渦對第1排管子壁面的q av 幾乎沒有影響; 第2、3排管子的前駐點(diǎn)都位于前排管子的尾跡區(qū)內(nèi),所以前駐點(diǎn)處的q av 很小,而后隨著 增大,逐漸增大,在 為60 左右時(shí),q av 達(dá)到最大值,之后隨著 的增大,逐漸減小,同樣在 大于100 左右時(shí),q av 很快下降; 三角翼產(chǎn)生的縱向渦大大強(qiáng)化了2、3排管子壁面的q av : 這一方面說明了由于縱向渦的存在,尾跡區(qū)大大得到抑制;另一方面也說明順排情況下縱向渦也大大加強(qiáng)了

25、下游管子壁面的換熱.圖8(b是叉排布置時(shí)各排管子壁面的q av 隨 的變化情況.圖中顯示各排管子的q av 隨 變化趨勢一致,在前駐點(diǎn)處,q av 最大,而后隨著 的增加,熱流密度逐漸減小,同樣在 大于100 左右時(shí),管子壁面被尾跡流覆蓋,q av 很快下降.在叉排布置時(shí),縱向渦對第1、第2排管子壁面的q av 幾乎沒有明顯影響,而第3排管子壁面的q av 則明顯增加.(a順排(b叉排圖8 換熱管壁面的局部熱流密度隨角度 的變化圖Fig.8 Var iation of local heat flux (q av of tub e w all w ith angle ( 表1 不同翅片通道的j

26、因子和f 因子Tab.1 Factors j and f f or diff erent fin channels順排波紋翅片三角翼波紋翅片叉排波紋翅片三角翼波紋翅片j 0.011160.01575j /j base1 1.1541 1.131f 0.047480.05884f /fbas e11.10511.070表1為4種不同翅片通道總的流動換熱特性比較.從表1可看出,無論是順排還是叉排,沖有三角翼的波紋翅片均大大強(qiáng)化了換熱,但同時(shí)也帶了一82動 力 工 程第29卷第1期 田麗亭, 等: 不同排列方式下三角翼波紋翅片管換熱器的換熱性能比較 參考文獻(xiàn): 1 83 定的阻力損失, 但是換熱增大

27、的幅度均大于阻力增 大的幅度 . 在順排布置時(shí) , 沖有三角翼的波紋翅片的 j、 f 因子比無三角翼的波紋翅片分別增加了 15. 4% 和10. 5% ; 而在叉排布置時(shí), 三角翼波紋翅片的 j 、 f 因子則分別增加了 13. 1% 和 7. 0% . L EU J S, WU Y H, JA NG J Y . Heat transfer and fluid flo w analysis in plate fin and tube heat ex changer s with a pair of block shape vo rtex g ener ator s J . Internatio

28、nal Journal of Heat and Mass 5 結(jié) 論 ( 1 三角翼在其下游產(chǎn)生的縱向渦包括 1 個(gè)主 2 Transfer, 2004, 47( 19/ 20 : 4327 4338. P EST EEI S M , SU BBA RA O P M V , AG A RWA L R S. Ex perimental study of the effect of w inglet location on heat t ransfer enhancement and pr essure drop in fin tube 3 4 heat transfer J . Applied

29、Thermal Engineering, 2005, 25( 11/ 12 : 1684 1696. 黃軍 , 王令 , 王秋旺 , 等 . 縱向 渦發(fā)生 器傳熱 強(qiáng)化的 研 究進(jìn)展 J . 動力工程 , 2007, 27( 2 : 211 217. 武俊梅 , 陶文銓 . 縱向 渦強(qiáng) 化換熱 的數(shù) 值研究 及場 協(xié) 同原理 分 析 J . 西 安 交 通 大 學(xué) 學(xué) 報(bào) , 2006, 40 ( 7 : 757 761. 5 W AN G L B, K E F , G AO S D, et al . Lo cal and averag e characterist ics o f heat/

30、 mass t ransfer over flat tube bank fin w ith four vo rtex g ener ator s per t ube J . Journal of Heat Transfer ASME, 2002, 124 ( 3 : 546 552. 6 SM O T RY S M L , GE H, JA CO BI A M , et al . Flow and heat tr ansfer behavior for a vor tex enhanced inter rupted fin J . Journal of Heat Transfer ASME, 2003, 125( 5 : 788 794. 7 JOA RDA R A , JA COBI A M . Impact of leading edg e delta w ing v ort ex generato rs on the thermal perfo rmance o f a flat tube, louvered fin compact heat ex changer J . International Journal of Heat and Mass Transfer, 2005, 48( 8 : 1480 1493. 8 SA N DER S P