湖北工程學(xué)院物理與電子信息工程學(xué)院 徐 鵬

1 引言

主動(dòng)換熱和被動(dòng)換熱是目前常用的兩種強(qiáng)化換熱技術(shù)。需由外部獨(dú)立能量來維持物體換熱的這種現(xiàn)象稱為主動(dòng)強(qiáng)化換熱，噴射、震動(dòng)、攪拌等都屬于這一類換熱[1][2]。此外，通過改變換熱裝置結(jié)構(gòu)物性來達(dá)到提高換熱能力的這種方法稱之為被動(dòng)強(qiáng)化換熱，比如納米流體，渦流發(fā)生器，粗糙表明，擴(kuò)展表面，螺旋管，表面張力裝置，位移式強(qiáng)化裝置等都屬于這一類型。被動(dòng)強(qiáng)化傳熱技術(shù)由于其自身的特點(diǎn)，并不需要消耗外界額外的能量，應(yīng)此使用更為廣泛。正如渦流發(fā)生器強(qiáng)化換熱正是這種技術(shù)的一種代表應(yīng)用。通常渦流發(fā)生器是通過各種不同的工藝加裝在換熱器翅片上，為縱渦的產(chǎn)生提供必要的條件，這種縱渦通常為馬蹄形。按照渦流發(fā)生器的外部形狀來分，一般可以分為體型和翼型兩種。例如體型渦流發(fā)生器包括球體、圓錐體、立方體、圓柱體等形狀[4]。

2 物理模型

通過對業(yè)界各種形狀的渦流發(fā)生器的比較，本文提出了一種新型的梯形小翼渦流發(fā)生器，具體的物理模型見圖1，尺寸單位為mm。

圖1 梯形小翼渦流發(fā)生器尺寸

3 控制方程

由于我們采用商業(yè)軟件進(jìn)行本次的數(shù)值計(jì)算，軟件中主要用到的是Navier-Stokes方程，它經(jīng)典的牛頓第二定理應(yīng)用到流體流動(dòng)的分析中。用偏微分方程分別定義質(zhì)量、能量和動(dòng)量守恒。我們假定本次計(jì)算的流體是不可壓縮形式，同時(shí)流體處于穩(wěn)定狀態(tài)。由于本次計(jì)算并沒有額外物理場的影響，這里采用標(biāo)準(zhǔn)的Navier-Stokes方程[5]。

4 性能評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

合理的強(qiáng)化換熱技術(shù)綜合性能指標(biāo)(PEC)是促進(jìn)強(qiáng)化換熱技術(shù)發(fā)展的重要因素。它能實(shí)現(xiàn)不同強(qiáng)化換熱設(shè)備之間定性的比較。依據(jù)壓強(qiáng)損失與速度平方正相關(guān)的關(guān)系，本文以為評價(jià)指標(biāo)。當(dāng)此指標(biāo)值大于1時(shí)，可以認(rèn)為在出入口壓強(qiáng)損失相同的情況下，優(yōu)化后的基于強(qiáng)化換熱的換熱器其換熱量高于基準(zhǔn)換熱器[6]。

5 分析與討論

通過數(shù)值計(jì)算，我們可以得到當(dāng)雷諾數(shù)從600上升到1600的過程中，努塞爾數(shù)大約從21下降到了13，同時(shí)摩擦因子從0.04上升到了0.09。說明隨著雷諾數(shù)的增加，換熱效果有所提升，但代價(jià)是需要耗散更多的外界能量。從另外一個(gè)角度來解釋即梯形小翼的存在，促進(jìn)了縱向渦旋的形成，為冷、熱氣流的充分交換提供了保證，有助于散熱器換熱性能的提升。為了得到其綜合的換熱效果，本文對其綜合換熱效果進(jìn)行了評價(jià)即上述的PEC。如圖2所示，從圖中可以看出，當(dāng)雷諾數(shù)小于1200時(shí)，渦流發(fā)生器的PEC隨Re有一個(gè)緩慢上升的過程，并在Re等于1200時(shí)達(dá)到峰值，當(dāng)雷諾數(shù)大于1200時(shí)，由于梯形結(jié)構(gòu)尺寸的限制，其綜合換熱因子極具下降，下降速度遠(yuǎn)大于上升速度，也就是說此種類型的渦流發(fā)生器更適合布置在低雷諾數(shù)氣體條件下。

圖2 PEC隨Re變化曲線

6 結(jié)論

本文采用數(shù)值計(jì)算的方法對一種異形渦流發(fā)生器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，分析結(jié)果表明采用此種結(jié)構(gòu)的渦流發(fā)生器的綜合性能評價(jià)指標(biāo)PEC存在一個(gè)最優(yōu)工作區(qū)間，即雷諾數(shù)小于1200時(shí)，PEC變化相對緩慢，說明此種類型的渦流發(fā)生器更適合的工作條件是雷諾數(shù)小于1200。

[1]E．I．Nesis,A．F．Shatalov,N．P．Karmatskii．Dependence of the heat transfer coefficient on the vibration amplitude and frequency of a vertical thin heater．Journal of Engineering Physics and Thermophysi cs,1994,67(1-2)∶696-698．

[2]C．R．Ma,Q．Zhang,S．C．Lee,et al．Impingement heat transfer and recovery effectwith submerged jets of large Prandtl number liquid．International Journal of Heat and Mass Transfer,1997,40(6)∶1481-1500．

[3]F．P．Incropera,D．P．Dewitt,T．L．Bergman,et al．Introduction to heat transfer(5th edition)Wiley,2007∶119-132．

[4]Seong Won Hwang,Dong Hwan Kim,June Kee Min,et al．CFD analysis of fin tube heat exchanger with a pair of delta winglet vortex generators．Journal of Mechanical Science and Technology,2012,26(9)∶2949-2958．

[5]L．T．Tian,Y．L．He,Y．B．Tao,et al．A comparative study on the airside performance of wavy fin-and-tube heat exchanger with punched delta winglets in staggered and in-line arrangements．International Journal of Thermal Sciences,2009,48∶1765-1776．

[6]Y．Wang,Y．L．He,Y．G．Lei,et al．Heat transfer and hydrodynamics analysis of a novel dimpled tube．Experimental Thermal and Fluid Science,2010,34∶1273-1281．

[7]王文進(jìn),王又青,唐霞輝．高功率軸快流CO2激光器氣體強(qiáng)化傳熱研究[D]．華中科技大學(xué)博士論文,2015-11-01．