平板通道內螺旋纖肋強化傳熱機理及傳熱特性研究.pdf

1、能源供應局勢的緊張及環(huán)境壓力的不斷增大，使得節(jié)能減排已經成為當今世界共同關注的一個焦點問題，因此發(fā)展并采用節(jié)能高效的傳熱強化技術對于節(jié)約能源，提高能源利用效率具有非常重要的意義。本文通過對低Re數對流換熱特性的分析，提出了采用螺旋纖肋強化平板通道中對流換熱的新方式，并對其強化換熱的機理及傳熱特性進行了數值模擬和實驗研究。
　　 對低Re數對流換熱特性的分析發(fā)現，由于湍流強度較低時流體的溫降發(fā)生在整個通道截面上，導致對流換熱的熱阻

2、不僅存在于壁面附近，還存在于整個流體內部，所以只改變壁面附近的流動已經不能有效的強化傳熱，還需要增強對主流流體的擾動，以進一步增強其溫度分布的均勻性。而螺旋纖肋在通道中等間隔排列可形成墊狀的填充層，類似于大孔隙率的多孔介質，能同時增強對壁面流體和主流流體的擾動。
　　 基于上述分析，通過數值模擬對螺旋纖肋強化換熱的機理進行了研究。數值模擬結果表明，螺旋纖肋由于其螺旋形的曲面造型，對繞流其肋絲的流體產生了非常有效的引導作用，在通道

3、中誘導生成了包括前緣縱向渦、主流縱向渦、貼壁縱向渦及中心縱向渦等一系列縱向渦在內的多縱向渦流動。螺旋纖肋誘導生成的多縱向渦流動，一方面顯著增大了流體在垂直于主流方向上的速度分量，使其可達主流平均速度的20％左右，有助于增強流體內部不同流層之間的微觀脈動，另一方面縱向渦所產生的輸運作用，增強了壁面與主流之間直接的質量交換，兩方面因素既促進了壁面熱量的快速遷移，又加快了流體內部的熱量擴散，從而使得通道主流流體溫度得到提升和均勻化。其中貼壁縱

4、向渦可將主流流體直接輸送到壁面附近熱邊界層以內，由此對熱邊界層產生的擾動使溫度梯度在靠近壁面處出現躍升，相對于光滑通道最高可提升一個數量級。場協同分析的結果顯示，截面內場協同角余弦絕對值較大的區(qū)域，受縱向渦流動的影響比較明顯，不僅出現在壁面附近，還出現通道中間區(qū)域，因此螺旋纖肋誘導生成的多縱向渦流動，使整個通道內部的場協同性能均得到了明顯改善，面內平均場協同角余弦值大幅提高，從而提高了通道內對流換熱的整體性能。
　　 搭建了可視

5、化流場測試實驗臺，通過粒子成像測速技術(PIV)對平板通道內置螺旋纖肋時的三維流動進行了測量，并在同一實驗臺上開展了流動顯示實驗。結果表明，螺旋纖肋可以在其下游誘導產生多縱向渦流動，形成了關于通道橫截面中線近似對稱的縱向渦陣列，在較低的Re數下誘發(fā)了通道中比較強烈的湍流擴散。由于縱向渦沿流動方向發(fā)展，對螺旋纖肋下游流體產生了持續(xù)的擾動，使下游截面上的速度分布得到了明顯改善，實驗涉及的Re數范圍內(Re=225～2022)，壁面附近流速較

6、之光滑通道可提高60％以上，壁面法線方向上的速度分量可達主流平均速度的16％～22％左右。隨Re數的增大，縱向渦因強度增加而變得平直，且更貼近壁面，增大了壁面附近的湍流強度。此外，相近參數下數值模擬與PIV測量所得流場結構的對比顯示兩者可以取得較好的一致性。
　　 在恒熱流條件下，測試了以空氣為介質時填充螺旋纖肋平板通道中的對流換熱特性。測試結果表明，平板通道內填充螺旋纖肋可以顯著地增強換熱性能，相對于光滑通道可提高1～1.5倍

7、。換熱性能隨螺旋纖肋排列間距的增加逐漸減小，而實驗涉及的結構參數范圍內，纖肋節(jié)距變化對空氣對流換熱性能的影響較小。流動阻力特性測試的結果表明，阻力系數隨通道空隙率的增加逐漸減小，在Re數較高且空隙率比較接近時，排列間距較大的情況所對應的阻力系數較小。
　　 設計制作了螺旋纖肋板式換熱器，并建立了板式換熱器傳熱特性測試實驗臺，分別對螺旋纖肋板式換熱器水-水換熱、水-油換熱情況下的傳熱及流動阻力特性進行了測試。實驗結果表明，通道內填

8、充螺旋纖肋是一種非常有效的強化傳熱方式，可以在較低的Re數下實現通道中比較充分的流體混合，消除了換熱器因流道內換熱不均而出現的出口溫度波動現象;以水為工質時，在800＜Re＜13800的范圍內，填充螺旋纖肋后通道表面?zhèn)鳠嵯禂堤岣吡?0～190％，綜合傳熱性能提高了35～130％，且表現出在低Re數范圍內提升幅度較大的特點;而以油為工質時，更是在相對較低的50＜Re＜800的范圍內，便使表面?zhèn)鳠嵯禂堤岣吡?0％～160％，綜合傳熱性能提高