三角形布管方式下2种换热器的场协同分析

散热器传热性能场协同仿真分析作者：毛方姜文雍来源：《农机使用与维修》2015年第06期摘要管带式散热器外表面的空气流动与换热状况关系到发动机的动力性及燃油经济性。

笔者根据场协同理论，采用数值模拟的方法对流经散热器翅片周围空气的速度场和温度场进行模拟计算，探讨了翅片的结构参数对流场的场协同角的影响。

该方法从场协同角的角度为散热器翅片的结构优化设计提供了参考。

关键词散热器数值模拟场协同角优化设计基金项目：衢州职业技术学院科研计划项目“建筑房顶集中式太阳能吸收制冷技术应用研究”（项目编号：QZYZ1408）。

作者简介：毛方（1984-），男，湖北咸宁人，衢州职业技术学院硕士研究生，研究方向：动力机械运动学仿真分析、动力机械传热分析。

E-mail：maohuan2211@sinacom。

0引言对于对流换热问题存在两个基本的矢量场，一个是流体流动时的速度场，另外一个是由于流体的温度不均匀时产生的温度梯度场，由于温度梯度具有方向性，因此温度梯度场也是一个矢量场。

场协同原理由过增元教授及其合作者于1998年提出，其内容可以表述为：对流换热的性能除了和流体的速度和物性以及流体与固壁的温差有关外，还与流体速度场与流体热流场间协同的程度相关。

在相同的速度和温度边界条件下，它们的协同程度愈好，换热强度愈高＼[1＼]。

1二维流场场协同理论从二维平板层流边界层问题的能量守恒方程出发，将能量守恒方程和导热问题的能量守恒方程进行对比，可得到对流换热问题的场协同角度的物理机制＼[2＼]。

ρcpuTx+vTy=yλTy（1）将式（1）在热边界层内积分得到∫δt，x0ρcpuTx+vTy-=-λTy|w=qw（x）（2）将式（2）左边的对流项改写成矢量点积形式U—·△T。

其中：U—=（u，v）△T=Tx+TyU—·△T=uTx+vTy=U—·△Tcosβ（3）式中β—速度矢量和温度梯度矢量的夹角，也叫场协同角。

传热学作业---《场协同原理》航空航天工程学部04040203班2010040402084蔡莉2013年5月31日场协同原理04040203班2010040402084蔡莉一、内容该原理认为，在速度场、温度梯度分布一定的条件下，二者之间的夹角(场协同角)对对流传热强度有重要影响，夹角越小，传热强度愈高。

⏹场协同概念：流动当量热源不仅取决于速度场、热流场、夹角场的绝对值，还取决于这三个标量值的相互搭配。

对流换热中速度场与热流场的配合能使无因次流动当量热源强度提高，从而强化传热，此时称速度场与热流场协同较好。

理论研究表明,流体与壁面之间的换热率与速度场和温度梯度场(热流场)的协同程度有着密切关系。

当换热系统中的速度场和温度梯度场达到充分协同时,换热就达到最优,流体流动所需功耗与其换热率的投入产出比就会达到最佳。

根据速度场和温度梯度场的协同程度,表征对流换热强度的准则数Nusselt数存在着上限和下限,分别是Nu=Re•Pr和Nu=0,一般换热结构的换热率均处在此上、下限之间.该理论被称为场协同理论,它的建立无疑对强化传热技术的发展有重要促进作用。

强化能量的传递与转换过程是人们所关注的重要课题, 几十年来人们进行了大量的理论与实验研究, 取得了很大的进展并获得实际的应用。

然而, 在研究其强化机制方面一直缺乏统一的理论。

例如, 在研究强化对流热传输时, 无论是理论分析、实验研究还是数值计算都把注意力集中于讨论和求得对流换热系数h 和反映对流换热强度的无量纲数Nu。

过增元等[2][3]从场协同的观点分析了对流换热的机制, 提出了场协同原理, 指出换热强度的大小不仅取决于温度梯度、流体的速度和物性,还取决于速度场与热流场的协同程度。

⏹对流换热的物理机制（1）对流换热从本质上来说是具有内热源的导热，流体的运动起着当量热源的作用。

（2）对流换热的强度取决于当量热源的强度，它不仅取决于流体与固壁的温差、流动速度和流体的热物理性质和输运性质，而且还取决于流体速度矢量与热流矢量的夹角。

传热过程中的场协同作用应用分析
场协同作用是近几十年来科学家们研究的一个热点前沿性课题，它也可以应用于传热过程之中。

在传热过程中，场协同作用的概念及应用，其起着重要的作用。

所谓场协同作用，指的是一定范围内，多场或多物性之间相互作用，其效果是大于各单独场或物性作用之和，或等于它们的总和。

传热过程中，场协同作用分为直接协同作用和间接协同作用，其中直接协同作用又可以分为绝对型和相对型。

对于绝对型的直接协同作用，当有一种作用场存在时，传热率可以超过多存在两种作用场中最大传热率的那种作用场。

例如，当湍流流体运动携带有热能时，气体流体在运动中受到电磁场的影响，可以使传热率升高，从而更好地传递热量。

而相对型协同作用，则指场与场之间或物性与物性之间相互作用，其和少于各单独场或物性作用之和。

例如，当电磁场和热场被耦合在一起时，其传热率较两个存在单独的场的传热率的和低一些，这源于当场与场之间相互作用时，会出现抵消或削弱的情况，使得热量的传递得不到很好的控制。

传热过程中科学家们对场协同作用的研究，几乎影响了几乎所有的工程领域，尤其是能源和动力系统等。

例如，在水力系统中，可以利用热场协同作用，来改善水中热量传输的能力，提高水力发电机组的运行效率。

总之，随着科学技术的发展，研究把场协同作用运用到传热过程中，对传热过程有着重要作用，而且能实现热量传播质量的提高，同时从传热领域和节能减排领域都能产生重大的科学经济效益。

换热器工作原理换热器是一种常见的热交换设备，用于在不同的流体之间传递热量。

它广泛应用于工业生产、能源系统、空调系统等领域。

本文将详细介绍换热器的工作原理，包括换热器的基本结构、工作原理、热传导方式以及常见的换热器类型等。

一、换热器的基本结构换热器通常由两个流体流经的管道系统组成，这两个流体之间通过换热器壁进行热量传递。

换热器的基本结构包括壳体、管束、传热面积、流体进出口以及支撑和密封装置等。

1. 壳体：壳体是换热器的外壳，通常由金属材料制成，如碳钢、不锈钢等。

壳体内部有两个流体通道，分别是热介质的进出口。

2. 管束：管束是由一组管子组成的，通常由金属材料制成，如铜、铝、不锈钢等。

管束的数量和罗列方式根据具体的换热要求而定。

3. 传热面积：传热面积是指换热器内部用于传递热量的表面积，通常由管束的长度、管子的直径和罗列方式决定。

4. 流体进出口：流体进出口是换热器与外部流体系统连接的部份，它们通常位于壳体的一侧，用于流体的进出。

5. 支撑和密封装置：支撑和密封装置用于固定管束和壳体，并确保流体不会泄漏。

二、换热器的工作原理换热器的工作原理基于热量的传导和对流。

当两个流体（通常是热介质和冷介质）通过换热器时，它们之间的温度差会导致热量的传递。

换热器的壁面起到隔离两个流体的作用，同时也是热量传递的介质。

换热器的工作过程可以分为三个步骤：加热、传导和冷却。

1. 加热：热介质进入换热器的壳体，并通过管束中的管子流动。

热介质的高温会使管壁升温，热量通过管壁传导到冷介质一侧。

2. 传导：热量在管壁上传导到冷介质一侧。

传导过程中，热量从高温区域传递到低温区域，直到两个流体的温度达到平衡。

3. 冷却：冷介质从换热器的另一侧进入，并通过管束中的管子流动。

冷介质的低温会吸收热量，使管壁温度降低。

通过这个过程，热介质的热量被传递给冷介质，实现了热能的转移。

三、热传导方式换热器中的热量传导可以通过三种方式进行：对流传热、传导传热和辐射传热。

一次表面换热器的场协同分析王巍;刘艳艳【摘要】在微型燃气轮机高效紧凑式回热器关键技术研究背景下,对具有正弦形波纹通道的一次表面换热器开展了传热与流动的数值模拟,并重点针对换热器不同的流动交错角(θ)和宽高比(P/H)做了场协同问题的计算和分析.数值计算表明,场协同原理同样可以指导一次表面换热器的换热强化,并指明未来结构优化的方向.【期刊名称】《大连理工大学学报》【年(卷),期】2010(050)005【总页数】4页(P663-666)【关键词】一次表面换热器;场协同原理;数值计算【作者】王巍;刘艳艳【作者单位】大连理工大学能,源与动力学院,辽宁,大连,116024;大连理工大学能,源与动力学院,辽宁,大连,116024【正文语种】中文【中图分类】TK4720 引言1998年过增元从二维边界层的能量方程出发，提出场协同理论.文献[1]中将场协同原理从抛物形流动推广到椭圆形流动，随后文献[2～6]又对二维顺排、叉排板束与平板通道的层流、湍流换热，以及折流杆管壳式换热器、板翅式换热器等进行场协同的实际应用研究，证明了减小速度矢量与温度梯度之间的夹角是强化对流换热的有效措施.然而，一次表面换热器（primary surface recuperators，PSR）采用了在正弦波纹通道内同一种流体交叉流动的复杂传热方式，因此，场协同理论是否适用，有待于进一步的验证.为此，本文主要针对一次表面换热器不同的流动交错角和宽高比开展基于场协同理论的计算和分析.1 层流条件下场协同分析从二维层流边界层的能量守恒方程以及导热的守恒方程（忽略x向的导热）可以获得能量方程的矢量形式：引入量纲一变量将式（4）代入式（3），进行整理后可得关系式其中Re x、Nu x的定义与通常边界层流动分析中的相同.被积因子可写成其中β是速度矢量和温度梯度矢量（热流矢量）的夹角.由式（5）知，若想获得最强的传热效果，被积因子应为最大值，在一定的速度和温度梯度下，也即β角为最小值.因此，通过减小速度矢量和温度梯度矢量的夹角，可使对流换热增强.为了能定量描述和比较不同对流换热情况下的速度场与热流场的协同程度，过增元提出了场协同数的概念.由下式可知，场协同数Fc越大，换热越强.2 物理模型一次表面换热器是一种模块式结构，尽管其通道数目多达几十万，但除边缘部分，换热器内部微通道的流动和传热特性基本上是相同的，所以，对于这种一次表面换热器的研究多以7×7多元体为模型，以中心单元体为主要研究目标[7]，其基本参数如图1所示[8].形状参数有曲面波长（一个周期）P、波高H（宽高比为P/H）、上下波纹板的交错角θ（即相同两股流体的流动夹角）和壁厚s，W、D表示进口面，E、U表示出口面.图1 单元控制体Fig.1 Unitary cell3 协同角的程序编译过程利用FLUENT内的udf（user defined function），自行编制程序提取速度场与温度场的夹角和全场平均夹角，进一步分析一次表面换热器的换热特性，程序编译过程如图2所示.图2 协同角程序编译过程Fig.2 Programming process of the synergy angle4 计算结果分析在单元体流动及传热分析中，流体为空气介质，选取质量流量进口，给定流体温度318 K，出口采用静压条件，在固体壁面上取速度无滑移边界条件，设为常壁温300 K[9].4.1 不同宽高比P/H结构的场协同分析在流动交错角为60°时，对不同几何尺寸（P/H）的一次表面换热器进行数值计算，并做了场协同分析，结果如图3、4所示.图3 不同P/H下Nu随Re的变化关系Fig.3 Predicted average Nusselt number as afunction of Re with different P/H图4 不同P/H下Fc随Re的变化关系Fig.4 Fc as a function of Re with different P/H由图4可以看出，P/H ＝3的协同数Fc最大，说明其速度场与温度场的协同程度最好，换热最强.P/H ＝4的协同程度居于P/H ＝1和P/H＝2之间，与图3的Nu模拟结果一样.对比图3、4知，在相同雷诺数下，场协同数越大，换热效果也越强.流体在流动过程中，速度矢量和温度梯度的夹角极大地影响着二者的协同程度，有如下关系式：速度矢量U＝U X＋U Y＋U Z；温度梯度而速度矢量和温度梯度在全流场范围内的平均夹角为式中：V i为每一个控制容积的体积，m3；βi为每个节点初速度与温度梯度的夹角.如图5所示.图5 不同P/H下平均协同角随Re的变化情况Fig.5 Average synergy angle asa function of Rewith different P/H协同角可以反映对流换热的强弱.图5表明，在相同的雷诺数下，P/H＝3时速度矢量和温度梯度平均协同角最小，说明换热效果最好；然而，随着雷诺数的变化，对不同结构尺寸的换热单元，均存在最大的协同角，也就是说，存在着最差的换热状况，因此，在设计交错角为60°的换热器时应避开这一雷诺数范围.这是图3中常规传热分析所不及的.图6则给出了P/H＝3的单元体中截面协同角等值线图.其中，箭头方向表示进气方向.从中可以看出，随着交错角为60°的两股流体在单元体内的掺混和形成旋涡，流体的速度矢量和温度梯度的夹角将发生变化，协同角在靠近入口和出口侧存在两个最小的区域，并由此向中心不断变化，揭示了该结构单元体对流换热的强弱分布不均匀，为进一步的强化传热提供了结构改进的依据.图6 P/H＝3单元体截面协同角等值线图（Re＝100）Fig.6 Synergy angle isoline in the midplane for P/H＝3（Re＝100）4.2 不同交错角流动的场协同分析给定单元体宽高比P/H＝3，对不同交错角的单元体内传热特性进行数值计算，并利用协同角完成进一步的分析，结果如图7、8所示.图7 不同交错角下Nu随Re变化情况Fig.7 Predicted average Nusselt number as a function of Re with different corrugated angles图8 不同交错角下平均协同角随Re变化情况Fig.8 Average synergy angle as a function of Re with different corrugated angles图7表明，相同雷诺数下，流动交错角度为150°单元体内的努塞尔数最大，换热最强.随着流动交错角度的降低，换热减弱，交错角为0°时换热最差.由图8可知，相同雷诺数下，两股流体以150°交错角流动时，其场协同角最小，此时两股流体的掺混和旋涡形成最强烈，换热效果最强，而直通道（交错角为0°）的流动换热效果最差，与图7的常规传热数值分析相吻合.图9显示出流动交错角为30°与150°的协同角等值线，通过比较可以看出，流动交错角为150°时场协同角较小，且全场内分布较均匀，换热稳定.然而，由于两股流体的强烈扰动，流动阻力大大增加.图中箭头方向仍表示进气方向.这些分析与图7计算结果相同，也验证了场协同理论同样适用于分析一次表面换热器的换热特性.图9 相同P/H 下流动交错角θ为30°与150°的协同角等值线图（Re＝500）Fig.9 Synergy angle isoline in the midplane forθ＝30°and 150°（Re＝500）with the same P/H5 结论本文针对一次表面换热器的复杂单元体结构中流体与壁面的对流换热特性进行了数值分析.利用FLUENT内的udf功能，自行编制程序，着重讨论了在不同的单元体尺寸P/H以及不同的流体流动交错角θ情况下，协同角随雷诺数的变化情况以及全场协同角的分布.计算表明，场协同原理可以用于一次表面换热器的传热分析，并能指导一次表面换热器的换热强化，指明未来结构优化的方向.【相关文献】[1]王娴，宋富强，屈治国，等.场协同理论在椭圆形流动中的数值模拟[J].工程热物理学报，2002，23（1）：60－62[2]过增元，黄素逸.场协同原理与强化传热新技术[M].北京：中国电力出版社，2004[3]刘星，王秋旺，何雅玲，等.场协同原理在椭圆形流动中的推广及其应用[J].东北大学学报，2001，22（增刊2）：34－37[4]过增元.对流换热的物理机制及控制[J].科学通报，2001，45（19）：2118－2122[5]苏欣，程新广，孟继安，等.层流场协同方程的验证及其性质 [J]. 工程热物理学报，2005，26（2）：289－291[6]CHEN Ping，DENG Xian－he，DING Xiao－yang，et al.A numerical analysis of thermal characteristics of fully developed turbulent flow with the field synergy theory[J].Journal of South China University of Technology，2003，31（7）：42－47[7]阴继翔，李国君，丰镇平.交错波纹板原表面换热器通道内对流换热的数值研究[J].西安交通大学学报，2005，39（1）：36－40[8]CIOFALO M，STASIEK J， COLLINS M W.Investigation of flow and heat transfer in corrugated passages－Ⅱ. Numerical simulations [J].International Journal of Heat and Mass Transfer，1996，39（1）：165－192[9]STASIEK J，COLLINS M W， CIOFALO M.Investigation of flow and heat transfer in corrugated passages－Ⅰ.Experimental results[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，1996，39（1）：149－164。

用场协同原理强化换热器传热性能的分析与计算作者：张宁来源：《山东工业技术》2016年第14期摘要：以翅片管式换热器的换热性能的提高作为研究重点，通过场协同原理（即在同速度和温度边界条件下，对流换热的性能取决于流体速度场与热流场协同的程度）的运用，以椭圆管来替代圆管来作为将换热器的基管可实现换热器换热性能的提高。

经数据测算得，其换热系数有所提升，且阻力系数也发生部分降低。

这为强化换热器的热力性能提供了一种较实用的方法。

关键词：翅片管式换热器；场协同原理；传热系数；热力计算；对流换热DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.14.054传热强化技术的采用所带来的各种换热设备的功率及效率提高，及重量和体积的减少，故其在科技界和工业界一直获得高度认可。

上世纪出现的世界性能源危机，推动了人们对传热强化技术的探讨和研究。

世界各国对其的科学研究的重视，在近二十多年的时间里，形成的与传热强化相关的研究文献不胜枚举[1-3]。

在国民生产的各部门中换热器扮演着极其重要的角色，特别在制冷空调应用领域更是翘楚。

从传热的基本公式Q=KF△t可看出，换热量Q的增大可借助与之成正比的传热系数K的提高，传热面积F的扩大及传热温差△t的提高这三个方式来完成[4]。

可采取具有针对性的相关技术措施，来提升上述3条基本途径的传热效率的方法主要有5-6]：1）流体的流动情况产生改变；2）流体物性发生改变；3）换热表面情况产生改变。

借助粗糙度在传热壁面上的增加，及形状、大小、表面结构于换热面发生相变并在表面增加涂层可促进第3种方法的完成。

本文中，作者基于场协同原理并综合运用第3种方法进行了换热器换热性能的强化性针对翅片式管式的专门研究。

1 物理机制及场协同原理在对流强化上的体现1.1 对流强化所体现的物理机制热传导、热对流和热辐射可以归结为热量传递常运用的3种模式。

而翅片管式换热器在运行中，对流换热占主导的同时三种换热形式共同运转作用。

换热管布置方式换热管布置方式是指在换热器中，换热管的布置方式，这直接影响着换热器的换热效果和性能。

换热管的布置方式主要包括并行布置、串联布置、交叉布置和混合布置等几种方式。

不同的布置方式适用于不同的换热器和工况条件，下面我们将逐一介绍这些布置方式及其特点。

首先是并行布置方式，换热管在并行布置方式下是平行排列的，流体分别在换热管内流动，这种布置方式适用于换热器面积有限，要求流体流速大的情况下，换热效果比较好。

并行布置方式有助于减小换热器的体积，提高换热效率，但是需要考虑换热器的流体分布和管束的维护。

其次是串联布置方式，换热管在串联布置方式下是依次连接的，流体分别在换热管内流动，这种布置方式适用于流体温差较大，需要多级换热的情况下，能够实现流体温度的逐级降低或升高。

串联布置方式的换热器结构简单，易于维护，但是存在换热器体积大、换热效率较低的缺点。

接着是交叉布置方式，换热管在交叉布置方式下是交叉排列的，流体在换热管内交叉流动，这种布置方式适用于换热器的换热效果要求高、流体温差较小的情况下，能够有效提高换热效率和换热器的热传递性能。

交叉布置方式有利于增加流体的湍流程度，减小热阻，提高换热效果，但是也增加了换热器的制造成本。

最后是混合布置方式，换热管在混合布置方式下是并行和串联布置的混合，流体在换热器内交叉流动，这种布置方式适用于换热器面积有限，流体温差较大，换热效果要求高的情况下，能够综合并行和串联布置的优点，达到换热器的最佳性能。

混合布置方式的换热器结构复杂，需要综合考虑流体的流动状况和换热器的热传递特性，但是能够实现较高的换热效率。

换热管的布置方式是换热器设计中的重要参数，不同的布置方式适用于不同的换热器和工况条件，设计者需要根据实际情况综合考虑换热器的换热效果、热传递性能和制造成本，选择合适的换热管布置方式，以实现换热器的最佳性能和效果。

换热管布置方式的选择直接影响换热器的换热效果和热传递性能，设计者在换热器设计中需要认真研究和分析，确保换热器的性能达到设计要求。

三角加热法的原理及应用1. 简介三角加热法是一种常用的加热方法，通过三个相互连接的加热元件形成三角形，使加热面积更均匀。

本文将介绍三角加热法的原理和应用。

2. 原理三角加热法的原理主要基于以下几个方面：1.加热元件布局：通过将三个加热元件相互连接形成一个三角形，使得加热面积更均匀，能够提高加热效率。

2.加热控制：通过对三个加热元件的控制，实现对整个加热系统的温度控制。

可以根据需要调整三个加热元件的功率和加热时间，以实现不同的加热效果。

3.热量传递：通过加热元件向被加热物体传递热量，使被加热物体达到所需的温度。

三个加热元件在形成三角形时，能够更均匀地对被加热物体进行加热。

3. 应用三角加热法广泛应用于各个领域，下面将介绍几个常见的应用示例：3.1 工业加热在工业生产中，三角加热法常用于对液体、气体或固体进行加热。

通过将三个加热元件放置在被加热物体的周围，能够更均匀地将热量传递给被加热物体，提高加热效率。

同时，三角加热法还可以通过调整加热元件的功率和加热时间，实现对被加热物体的温度控制。

3.2 食品加热在食品加热领域，三角加热法常用于烘烤食品。

通过将三个加热元件放置在烤箱内部的各个角落，能够均匀地对食品进行加热，使食物受热更为均匀，烤出的食品更加美味可口。

3.3 医疗器械加热在医疗器械加热领域，三角加热法常用于医疗设备的加热。

例如，将三个加热元件放置在手术器械的外部，能够快速加热器械，提高手术效率。

同时，三角加热法还可以通过控制加热元件的温度，实现对器械的温度控制，确保手术安全。

3.4 实验室加热在实验室中，三角加热法常用于对试剂和样品的加热。

通过将三个加热元件放置在实验容器的底部和两侧，能够均匀地对试剂和样品进行加热，提高实验的准确性和可重复性。

4. 结论三角加热法通过将三个加热元件相互连接形成一个三角形，能够更均匀地进行加热，提高加热效率和加热质量。

在工业、食品、医疗和实验室等领域有着广泛的应用。

第29卷第1期 2009年1月动 力 工 程Jo urnal o f Pow er EngineeringVol.29No.1 J an.2009收稿日期:2008 05 14基金项目:国家自然科学基金重点资助项目(No.50736005);国家重点基础研究发展计划(973)资助项目(2007CB206902)作者简介:田丽亭(1979 ),女,河南林州人,博士研究生,主要从事强化传热方面的研究.何雅玲(联系人),女,教授,博士,电话(Tel):029 ********;E mail:yalinghe@.文章编号:1000 6761(2009)01 0078 06 中图分类号:T K 124 文献标识码:A 学科分类号:470.10不同排列方式下三角翼波纹翅片管换热器的换热性能比较田丽亭, 何雅玲, 楚 攀, 雷勇刚(西安交通大学能源与动力工程学院,动力工程多相流国家重点实验室,西安710049)摘 要:应用三维数值模拟的方法对加装三角翼涡发生器的波纹翅片管换热器的流动换热特性进行了研究.3排换热圆管按顺排和叉排2种方式排列.结果表明:三角翼产生的纵向涡包括1个主涡和1个角涡.顺排布置时,纵向涡不但改善了尾迹区的换热,同时还大大强化了三角翼下游管排壁面的换热;叉排布置时,纵向涡在遇到后一个波谷时很快被抑制,换热的强化主要作用于尾迹区.Re D c =3000时,与无三角翼的波纹翅片相比,三角翼波纹翅片的j 、f 因子在顺排和叉排布置中分别增加了15.4%、10.5%和13.1%、7.0%.在不同排列方式下,三角翼产生的纵向涡均提高了波纹翅片管换热器的换热性能.关键词:换热器;三角翼波纹翅片;纵向涡;叉排;顺排;换热性能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 Jiaotong Univ er sity,Xi an 710049,China)Abstract: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 ents 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 nstream 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 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 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管翅式换热器广泛应用于能源、动力、化工、冶金和食品加工等诸多行业中.由于管外空气热物性的限制,管翅式换热器的热阻主要集中于管外,管外热阻占总热阻的80%~90%.为了强化管外空气的换热,人们在管外加装各种翅片,从最初的平翅片,一直发展到后来的波纹翅片、开缝翅片及百叶窗翅片.这些翅片大大增加了空气换热面积,同时改变了主流方向,增强了流体扰动,减薄或者破坏了热边界层的连续发展,使换热加强.这种强化换热方式是主流强化换热,在增强换热的同时也带来了很大的阻力损失.而另一种强化换热的方式为二次流强化换热,它通过改变二次流的分布来强化换热,能够以较小的阻力代价获取较大的强化换热效果.纵向涡的产生属于二次流强化换热方式,目前纵向涡发生器作为一种无源强化换热技术已成为强化换热方面研究的热点之一.文献[1 8]研究了加装有涡发生器的各种管翅式换热器的流动换热特性,包括平翅片、开缝翅片、百叶窗翅片以及扁平管翅片换热器.在所查阅的文献中尚未发现波纹翅片管换热器中应用纵向涡发生器的相关研究,故笔者针对加装三角翼涡发生器的波纹翅片管换热器的流动换热特性进行了研究.换热器翅片模型示于图1.(a)叉排(b)顺排图1 三角翼波纹翅片示意图Fig.1 S chematic of w avy fins w ith d elta w inglets波纹翅片可改变空气的来流方向,增加换热面积,增强空气侧的扰动,但换热管后部依旧存在大面积的尾迹区,导致局部换热恶化.而涡发生器的加入可改善这些情况,使换热增强.通常换热管有叉排和顺排2种排列方式,笔者对冲有三角翼涡发生器的波纹翅片管换热器进行了三维数值模拟,并就换热管在叉排和顺排2种排列方式下的流动换热特性进行了对比分析,为进一步设计高性能换热器提供基础数据.1 计算模型计算模型示于图2.在波纹翅片管换热器中,3排换热圆管分叉排和顺排2种方式排列,每排换热管侧后方的翅片上均对称冲有1对三角形小翼,三角翼垂直于波纹翅片.管外径D c =10.55m m,横向间距P t =25.00m m,纵向间距P l =21.65mm,翅片厚度 =0.2mm,翅片间距F p = 3.2mm,翅片波纹角度 =15 .三角翼翼高h = 2.5mm ,弦长l =5m m,由于三角翼是从波纹翅片上冲出来的,所以三角翼厚度与翅片厚度相同,w =0.2m m,三角翼与空气来流方向的攻角 =30 ,三角翼在波纹翅片上的具体位置示于图2.(a)主视图(b)叉排俯视图(c)顺排俯视图图2 三角翼波纹翅片管换热器的几何尺寸及计算区域示意图Fig.2 Schem atic of geometrical siz es and com putational domain ofthe w avy finned tube heat exchanger w ith delta w inglets由于翅片结构的对称性,取图2中虚线所示范围为计算区域,上下翅片的中心面取为计算区域的上下面.在计算区域中,除了翅片通道内的流体,还包括了翅片及三角翼固体部分,这里考虑了翅片及三角翼的导热因素,在数值模拟中,包括了翅片间流体与翅片及三角翼固体的换热耦合计算.为了边界条件实施的合理性,计算区域从翅片通道入口向上游延长了10倍翅片间距,从通道出口向下游延长了30倍翅片间距(图2).2 计算方法2.1 控制方程及边界条件由于空气在翅片间温度变化不大,所以认为空气的物性为定值,特征温度取为进出口的平均温度,把通道中的流动简化为三维常物性稳态流动.三角翼产生的纵向涡增强了通道内流体扰动,计算模型79 第1期田丽亭,等:不同排列方式下三角翼波纹翅片管换热器的换热性能比较采用了RNG k - 模型[9],它能够较好地捕捉流场中的涡旋特性,控制方程在文献[9]中已有充分介绍,此处从略.计算区域边界条件设置如下:入口:速度边界条件,u =u in ,v =0,w =0,T =T in ,湍流强度I =0.16(R e DH )-1/8;出口:局部单向化假设;y 方向的上下边界面:前后延长段采用周期性边界条件,由于翅片的厚度与长度、宽度相比非常小,可认为翅片的温度在厚度方向无变化,故翅片壁面取为速度无滑移的绝热固体面,上下翅片面冲出的三角翼孔取为周期性边界条件;z 方向的前后边界面:流体区采用对称性边界条件,翅片壁面为速度无滑移的绝热固体面,换热管壁面为给定温度T w 的速度无滑移固体面;三角翼壁面为速度无滑移固体面,温度由换热耦合计算得出.2.2 数值方法采用Fluent 商业软件进行数值计算.由于通道中三角翼与主流成一定攻角布置,致使三角翼周围结构比较复杂,故在网格生成过程中,对计算区域进行了分块处理:三角翼的区域采用非结构化的四面体网格,其他区域采用六面体网格.生成网格时,分别定义各边上的节点数以控制各块网格的疏密.换热圆管及三角翼附近网格分布示于图3.图3 圆管及三角翼附近的网格分布图Fig.3 Grid distribution aroun d the r ou nd tub e and delta winglet在计算中,采用有限容积法对控制方程进行离散,压力和速度的耦合采用SIM PLE 算法,对流项采用二阶迎风格式进行离散,扩散项采用中心差分格式离散.3 参数定义在换热器的数据分析中,特征长度通常有多种取法,如换热管外径、翅片间距及水力直径等,这里采用换热管外径D c 作为特征长度,其雷诺数定义如下:雷诺数:R e Dc = u m D c(1)式中:u m 为通道最小截面处的平均流速,m/s ; 为流体密度,kg/m 3; 为流体动力粘性系数,kg/(m s ).努谢尔数:N u =hD c(2)式中: 为流体导热系数,W/(m k).换热系数:h =Q 0A 0 T(3)式中: T 为对数平均温差,K;A 0为包括翅片和换热管在内的总换热面积,m 2.翅片总效率: 0=1-A fA 0(1- f )(4)式中:A f 是翅片面积,m 2.翅片效率 f 的计算采用Schm idt 方法[10]:f =tanh (mr )mr (5)式中:r =0.5D c .横向平均的局部换热系数h x 的定义如下:h x =q xT f ,x -T a ,x(6)式中:q x 为局部热流密度,W/m 2;T f,x 为局部流体平均温度,K;T a,x 为局部壁面平均温度,K.流动截面的涡通量 x 定义为 x = d A =( U )d A (7)式中:U 为流体速度矢量,m /s ;A 为流动截面面积,m 2.换热、流动特性由j 、f 因子来表征:j =N u ReP r 1/3=h u m c p Pr 2/3(8)f =p 12u 2m A cA 0(9)式中:c p 为流体比定压热容,J/(kg K); p 为通道进出口压差,Pa;A c 为通道最小截面面积,m 2;Pr 为普朗特数.4 结果与分析在空气进口雷诺数Re D c =3000的条件下,对冲有三角翼涡发生器的波纹翅片管换热器进行了数值模拟,对比研究了叉排和顺排2种排列方式下的流动换热特性.4.1 三角翼产生的纵向涡情况当流体流经位于圆管侧后方冲出的三角翼时,由于迎流面和背面之间的压差作用,在三角翼的下游产生了纵向涡,其涡的旋转主轴与主流方向一致,并随着主流向下游发展.图4是位于三角翼下游x =21m m 截面的二次流速度分布图.从图4可看出,80动 力 工 程第29卷图4 三角翼下游截面x=21mm的二次流速度分布图Fig.4 Secondar y flow velocity distribu tion at th e down stream cross s ection(x=21m m)of th e delta w inglet在每个三角翼的下游出现了2个涡,1个是正位于三角翼下游的主涡,左边的主涡按顺时针方向旋转,右边的主涡按逆时针方向旋转.它主要是由于流体经过三角翼前缘(斜边)时的压力差所引起的,这个纵向涡的强度比较大,它引起的二次流使主流冲入尾迹区,使流体冲击翅片表面,改变了翅片表面的速度梯度.另外,在主涡的外围还存在1个角涡,这个角涡具有马蹄涡的特性,位于三角翼迎流面和翅片的接合处,由于端壁效应,流体产生了角涡,这个角涡在主流作用下绕过三角翼向下游发展,其强度小于主涡.4.2 通道内流动特性的比较排列方式的不同必然会影响纵向涡的下游发展,图5表示在不同排列方式下流动截面涡通量 x 的沿程变化.图中阴影部分表示换热圆管所在的x 位置.从图5可看出: 由于通道流通面积的周期性变化, x也呈明显的周期性变化; 在圆管位置,由于通道流通面积减小,空气流动速度增大,使得 x 变小,流通面积最小处空气速度最大, x最小; 叉排布置中第2、3排管子的前端都有1个 x的局部最高值,这主要是因为第2、3排管子前驻点处存在流体的直接冲击,在此由于端壁效应形成马蹄涡,而在顺排布置中,2、3排管子前驻点都处于上一排管子的尾迹区内; 三角翼产生的纵向涡使得圆管后部的 x大大加强,顺排布置中,与无三角翼的波纹翅片相比, x在三角翼下游有较大范围的增加,直到下排管子中心位置相对应的x坐标处才恢复到与波纹翅片相当的水平.在叉排布置中,纵向涡产生的 x在遇到后一个波谷时急剧下降,马上恢复到和波纹翅片相当的水平,这说明叉排布置时三角翼产生的纵向涡在遇到后一个波谷时,由于下一排圆管的阻挡以及主流方向的改变,很快被抑制,而未能随着主流向下游发展较长距离.图5 截面涡通量 x的沿程变化图Fig.5 Distribution of vortex flux( x)along th e flow channel图6是通道截面压力的沿程变化图.从图6可看出,在每排管子处,由于形状阻力的原因,均有一个较大的压降存在,在三角翼所处位置只出现了很小的压降,这是由于三角翼形状窄长,迎流面积小,它引起的形状阻力及沿程阻力均很小.与圆管的形状阻力及波纹通道的沿程阻力相比,三角翼引起的压力变化在图6中并不明显.图6 截面压力p的沿程变化图Fig.6 Dis tribution of average p ress ure(p)along the flow chan nel 4.3 通道内换热特性的比较三角翼产生的纵向涡对通道翅片表面h x的影响示于图7.在翅片最前段,由于此处边界层刚开始形成,厚度很薄,故翅片最前段换热系数最大,换热最强.随着流动的发展,边界层增厚,换热很快减弱.在顺排布置中,管排之间存在大面积的尾迹区,导致管排之间热流密度较小,而三角翼产生的纵向涡大大强化了管排之间的换热系数,在图中表现为在管排之间均形成一个h x的峰值.在叉排布置中,与顺排不同的主要是:在每排圆管的前端,前滞止点处流体直接冲击管面,由于端壁效应产生马蹄涡,马蹄涡在主流的作用下绕圆管向下游发展,局部换热得到强化,在每排管子的前端均形成一个热流密度的峰值,而后随着边界层的发展,热流密度沿流向减小.同样,每排圆管尾部流体脱体产生回流涡旋,形成大面积的尾迹区,换热恶化.与顺排一样,三角翼布置81第1期田丽亭,等:不同排列方式下三角翼波纹翅片管换热器的换热性能比较(a)顺排(b)叉排图7 横向平均局部换热系数h x 的沿程变化图Fig.7Distrib ution of transver sal average local h eat tran sfer coefficien t (h x )along the flow channel于圆管的侧后方,流经三角翼,分离产生纵向涡,与主流方向垂直的二次流加剧了局部流体的混合,尾迹区覆盖面积被压缩,局部换热显著强化.从图7可看出,在圆管尾部,由于纵向涡的存在形成了1个新的热流密度峰值.总之,在顺排和叉排布置中,三角翼产生的纵向涡大大改善了尾迹区的换热效果,这正好弥补了波纹翅片中换热最为恶劣的部分. 为了研究三角翼产生的纵向涡对圆管后部尾迹区的影响,笔者分析了各排换热管壁面的局部热流密度随角度 的变化情况(图8).图8(a)是顺排布置时的变化情况.从图中可看出: 第1排管和第2、3排管的q av 随角度的变化趋势差别很大,第1排管子在前驻点处q av 很大,当 大于100 左右时,管子壁面被尾迹流覆盖,q av 很快下降,而纵向涡对第1排管子壁面的q av 几乎没有影响; 第2、3排管子的前驻点都位于前排管子的尾迹区内,所以前驻点处的q av 很小,而后随着 增大,逐渐增大,在 为60 左右时,q av 达到最大值,之后随着 的增大,逐渐减小,同样在 大于100 左右时,q av 很快下降; 三角翼产生的纵向涡大大强化了2、3排管子壁面的q av :这一方面说明了由于纵向涡的存在,尾迹区大大得到抑制;另一方面也说明顺排情况下纵向涡也大大加强了下游管子壁面的换热.图8(b)是叉排布置时各排管子壁面的q av 随 的变化情况.图中显示各排管子的q av 随 变化趋势一致,在前驻点处,q av 最大,而后随着 的增加,热流密度逐渐减小,同样在 大于100 左右时,管子壁面被尾迹流覆盖,q av 很快下降.在叉排布置时,纵向涡对第1、第2排管子壁面的q av 几乎没有明显影响,而第3排管子壁面的q av 则明显增加.(a)顺排(b)叉排图8 换热管壁面的局部热流密度随角度 的变化图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 因子和f 因子Tab.1 Factors j and f f or diff erent fin channels顺排波纹翅片三角翼波纹翅片叉排波纹翅片三角翼波纹翅片j 0.011160.012880.013920.01575j /j base1 1.1541 1.131f 0.047480.052480.054990.05884f /fbas e11.10511.070表1为4种不同翅片通道总的流动换热特性比较.从表1可看出,无论是顺排还是叉排,冲有三角翼的波纹翅片均大大强化了换热,但同时也带了一82动 力 工 程第29卷定的阻力损失,但是换热增大的幅度均大于阻力增大的幅度.在顺排布置时,冲有三角翼的波纹翅片的j、f因子比无三角翼的波纹翅片分别增加了15.4%和10.5%;而在叉排布置时,三角翼波纹翅片的j、f 因子则分别增加了13.1%和7.0%.5 结 论(1)三角翼在其下游产生的纵向涡包括1个主涡和1个角涡.强度大的主涡是由于流体经过其前缘(斜边)时的压力差所引起的,强度小的角涡是由于端壁效应在三角翼迎流面和翅片的接合处产生的,其具有马蹄涡的特性.(2)换热管在顺排布置时,三角翼产生的纵向涡有较长距离的发展,三角翼下游截面涡通量的增加一直持续到下排管子的中心位置处;在叉排布置时,由于下一排圆管的阻挡以及主流方向的改变,三角翼产生的纵向涡在遇到后一个波谷时很快被抑制,而未能随着主流向下游发展较长距离.(3)三角翼产生的纵向涡不但压缩了圆管后部尾迹区的面积,而且提高了尾迹区内流体的速度,强化了圆管后部波纹翅片的换热,改善了圆管后部由于尾迹区的原因导致局部换热恶化的情况.(4)在顺排布置时,三角翼产生的纵向涡不但改善了尾迹区的换热,同时还大大提高了三角翼下游管排壁面的换热;在叉排布置时,三角翼产生的纵向涡只强化了第3排管子壁面的换热.(5)三角翼在增强翅片通道换热的同时,也带来了一定的阻力损失,但换热增加的幅度要大于阻力增加的幅度.在顺排布置时,冲有三角翼的波纹翅片的j、f因子比无三角翼的波纹翅片分别增加了15.4%和10.5%;在叉排布置时,三角翼波纹翅片的j、f因子比波纹翅片分别增加了13.1%和7.0%.(6)在顺排和叉排布置时,三角翼产生的纵向涡均强化了波纹翅片管换热器的换热,提高了换热器的性能.参考文献:[1] L EU J S,WU Y H,JA NG J Y.Heat transfer andfluid flo w analysis in plate fin and tube heatex changer s with a pair of block shape vo rtexg ener ator s[J].International Journal of Heat and MassTransfer,2004,47(19/20):4327 4338.[2] P EST EEI S M,SU BBA RA O P M V,AG A RWA L RS.Ex perimental study of the effect of w inglet locationon heat t ransfer enhancement and pr essure drop infin tube heat transfer[J].Applied ThermalEngineering,2005,25(11/12):1684 1696.[3] 黄军,王令,王秋旺,等.纵向涡发生器传热强化的研究进展[J].动力工程,2007,27(2):211 217.[4] 武俊梅,陶文铨.纵向涡强化换热的数值研究及场协同原理分析[J].西安交通大学学报,2006,40(7):757 761.[5] W AN G L B,K E F,G AO S D,et al.Lo cal and averag echaracterist ics o f heat/mass t ransfer over flat tubebank fin w ith four vo rtex g ener ator s per t ube[J].Journal of Heat Transfer ASME,2002,124(3):546552.[6] SM O T RY S M L,GE H,JA CO BI A M,et al.Flowand heat tr ansfer behavior for a vor tex enhancedinter 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 edelta w ing v ort ex generato rs o n the thermalperfo rmance o f a flat tube,louvered fin compact heatex changer[J].International Journal of Heat and MassTransfer,2005,48(8):1480 1493.[8] SA N DER S P A,T H OL E K A.Effects of w inglet s toaugment tube wall heat transfer in lo uv ered fin heatex changer s[J].International Journal of Heat andMass Transf er,2006,49(21/22):4058 4069.[9] 陶文铨.数值传热学[M].2版.西安:西安交通大学出版社,2001.[10] SCHM ID T T E.H eat t ransfer calculations forex tended surfaces[J].Refrigerating Engineering,1949:351 357.83第1期田丽亭,等:不同排列方式下三角翼波纹翅片管换热器的换热性能比较。

场协同原理---------------传热学学院：航空航天工程学部专业：热能与动力工程班级：04040203学号: *************姓名：**一．场协同原理为了分析流体流动过程, 降低流动阻力, 提出了流动速度与速度梯度在整个流动区域内协同的概念, 认为流体在流动过程中所受的阻力不仅受流动速度和速度梯度的影响, 同时也取决于它们之间的协同程度. 在此基础上, 提出了流体流动过程中的最小机械能耗散原理, 认为在整个流动区域内, 流动速度与速度梯度的协同程度越低, 流体流动过程中的黏性耗散越小, 流体阻力也越小. 同时, 根据最小机械能耗散原理, 在一定约束条件下对黏性耗散函数求极值, 获得了流体流动场协同方程, 求解场协同方程获得了最佳流场, 使流体在流动过程中的黏性耗散取最小值, 流动阻力最低. 最后,以并联管路的流量分配为例, 根据最小机械能耗散原理对速度分配器进行了优化设计, 降低流体在并联管路中的流动阻力.二．场协同原理的适用性从边界层（抛物型）流动推广至回流（椭圆型）流动；从层流流动推广到湍流流动；从稳态流动推广到一维瞬态流动；从单股流流动推广至两股流换热器。

三强化换热器传热性能研究的重要性由于传热强化技术能够提高各种换热设备的效率、降低其质量和体积, 所以一直受到科技界和工业界的重视。

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。

到了90 年代初, 每年发表的有关传热强化的文献成倍地增长[ 1- 3] 。

这是因为换热器在国民生产各部门具有举足轻重的地位, 尤其在制冷空调领域更是重中之重。

根据传热的基本公式Q = K F$t , 换热量Q的增加可通过提高传热系数K 、扩展传热面积F和加大传热温差$t 来实现[ 4] 。

围绕上述 3 条增强传热的基本途径而采取的一系列技术措施即形成增强传热的方法[ 5- 6] : 1 改变流体的流动情况;o 改变流体物性; 改变换热表面情况。