纵向涡传热应用于优化总结

收稿日期:2002_01_15*基金项目:国家重点基础研究发展规划项目(G2*******) 作者简介:杨泽亮(1947-),男,副教授,主要从事燃烧和传热研究.文章编号:1000_565X(2002)06_0033_03纵向涡发生器强化换热的场协同分析*杨泽亮1 宋卓睿1 宋耀祖2(1.华南理工大学电力学院,广东广州510640; 2.清华大学力学系,北京100084)摘 要:通过在流道内安装三角形涡发生器可以产生纵向涡旋.本文以场协同理论为指导讨论了在较低壁温(小于120 )条件下、Re在800~7000范围内,空气介质在强迫对流的情况下,水平加热片上安装三角形涡发生器的强化换热机制.关键词:纵向涡;涡发生器;强化换热;场协同中图分类号:TK124 文献标识码:A换热器中广泛存在着平板式层、湍流边界层矩形通道.国外一些研究对矩形通道安装纵向涡发生器后的流场和温度场进行大量的实验[1],显示了纵向涡发生器后的涡旋结构并测量了当地温度,发现换热系数提高很多.纵向涡在尾迹区带动下游流体旋转冲刷壁面,并驱动流体从四周流向中心,破坏了热边界层的发展,提高了换热系数;并且在一定的压力梯度下,纵向涡可以很稳定并延伸至很远的下游区域.本文用场协同理论的新观点[2]对纵向涡强化换热的实验结果[3,4]进行了分析.1 实验简介1.1 实验台组成实验在一个专门设计的层流、过渡流低速风道内进行[3].实验装置主要包括:压气机、稳流段、渐缩通道、实验风道和扩压段.测量系统包括:毕托管流量计、测温热电偶和红外热像仪.风道尺寸600m m 300m m 40m m(长 宽 高).空气的速度范围为0.4~4m/s.加热温度范围为0~120 ,风道的底面为一块300mm 600 mm、厚度为0.06m m的Ni20Cr80加热片,顶面为张紧的超薄塑料薄膜,左右侧为绝热板.加热片通过调压器来改变加热功率.三角形涡发生器(DW VG)翅长l=40mm,翅高H=20mm.平行布置时,产生单涡;成对布置时产生涡偶.本文实验中,在距离加热片入口X1=60mm处布置了一排3对三角翼涡发生器,如图1所示.它们沿轴线对称分布.成对布置时翅片前端间距s=2mm.图1 涡发生器布置示意图F ig.1 Schemat ic diag ra m o f D WVG co nfigura tio n为减少散热损失,在加热片下面包覆一层矿渣棉绝热层.用精密水银温度计(刻度0.1 )和铜-康铜热电偶分别测量通道进出口空气和加热片下面各点的温度.通过热电偶和红外热像仪对加热片表面温度进行检验,以确定加热片的表面黑度.1.2 实验原理实验中,测定纵向涡强化换热面侧的换热系数的方法是让空气流过电加热片,在热平衡的条件下,测定空气和加热片之间的换热量Q、换热表面平均温度t w和空气的平均温度t f,以及换热面积A,然后按照牛顿冷却公式Q=h(t w-t f)A来求取A区域内的平均换热系数h.使用红外热像仪,可以方便地求得局部和整个加热面的平均温度.由于翅片华南理工大学学报(自然科学版)第30卷第6期Jo urna l o f South China U niversity of Techno log y V o l.30 N o.6 2002年6月(Na tural Science Editio n)June 2002的面积比加热片面积小很多,且为线接触,热阻大,计算中未将翅片作为扩展受热面积.1.3 实验内容及结果分析将三角翼作为涡流发生器,垂直安装在壁面上,在矩形通道内层流和过渡流条件下产生纵向旋涡或涡偶,形成对壁面边界层的干扰和强化换热.根据强化换热的效果,对涡发生器的参数进行优选,找出涡偶的合理布置形式.在研究纵向涡对换热表面的强化换热效果时,可以看出,强化换热的增强趋势是在Re=800~ 1000时上升得不很明显,在Re=1000~4000时则迅速加大,而过了6000后则开始下降.由于实验风道阻力很小,阻力变化更小,所以没有在实验中测量加装涡发生器后的阻力变化.在下一步工作中,将调整实验设备,进行阻力实验.2 场协同分析2.1 纵向涡对平均换热系数的场协同分析本文的实验为水平通道层流流动边界层的换热实验.二维层流边界层的能量方程[1]:c p u T x+v T y= y k T y(1)式中: ,c p和k分别为流体的密度、比热和导热系数;T是温度,K;u和v是速度.对方程(1)在热边界层内积分t0 c p u T x+v T y dy=-k T y w(2)式中, t为热边界层厚度,下标w表示壁面参数.在本文的实验中,温度变化范围不大,物性参数可近似取为常数.将(2)式改写为矢量形式t0 c p(u T)dy=-k T y w(3)式中,u T=|u|| T|cos .u是速度矢量, T是温度梯度, 是u和 T之间的夹角.在 = 90 时,相当于纯导热的情况.由热边界层的厚度 t,板面温度与边界层外流体的温差,可以得到不同x处的导热热流q d:q d=t w-tt k上式中,下标 表示边界层外参数;t为温度, .表面辐射热流为q r,q r=c0 T w1004-T1004上式中,c0是黑体辐射系数, 是黑度.因此,可以得到由于对流存在,即相当于有内热源存在的换热为-k T yw=q l-q r-q d,上式中,q l为电加热板热流,可近似看为恒热流.又有q l-q r-q d=h x(T w-T )上式中,h x是纯对流引起的当地对流换热系数.因此,(3)式变为c p t0(|u|| T|co s )dy=h x(T w-T )引入无因次变量, u=uu, T=T(T w-T )/ t,y=yt,T w>T ,可得到:Nu x=Re x Pr 10(| u|| T|cos )d y 为了方便比较加纵向涡发生器与不加纵向涡发生器的换热效果,假设速度和温度在边界层中分布为u -uu=1-y322,T-TT w-T= 1-y3232,取co s 为边界层中的平均值, 是速度边界层厚度,在此近似 = t.由假设得u=1-1- y322, T=-94y- y52,则Nu x=47Re x Pr co s求出全板长上的Re x的平均值:Re x=uvLx dxL=u L2上式中, 是定性温度下空气的运动粘度.Nu x已由实验得出,所以cos =74Nu xRe x Pr代入没有加涡发生器的Nu x1和加了涡发生器的Nu x2,则可计算出co s 1和co s 2,进而求出 1和 2.当然,求出的是一个平均的夹角.2.2 实验的场协同分析结果不同Re下,有、无涡发生器时换热情况比较如表1所示.Re的特征尺度d为风道的水力直径.为方便计算,取Re为1000时的通道中空气的平均温度为定性温度.34华南理工大学学报(自然科学版)第30卷表1 不同Re 下有、无涡发生器时换热情况比较*T a ble 1 T he co mpar ison o f hea t tr ansfer w he ther DW V G s ar e used or not w ith diff ere nt Re numberRe Re x h s1h r1h d1h 1Nu x 1cos 11无涡发生器h s2h r2h d2h 2Nu x 2cos 22有涡发生器h 2-h 1h 1 2- 11800680012.7 1.580.5210.60111.80.04187.613.7 1.550.5211.63122.70.04587.49.7%0.26%1000850012.5 1.530.5810.39110.20.03388.116.0 1.430.5813.98148.30.04487.534.5%0.73%20001700012.8 1.400.8210.58112.80.01789.017.5 1.300.8215.38164.00.02488.645.4%0.49%30002550013.0 1.36 1.0010.64113.70.01189.418.7 1.25 1.0016.45175.80.01789.054.6%0.39%40003400014.5 1.30 1.1512.04129.00.009589.521.1 1.20 1.1518.74200.70.01589.255.6%0.34%60005100016.6 1.25 1.4113.94149.70.007489.625.5 1.15 1.4122.94246.20.01289.364.5%0.30%80006800022.11.171.6319.30206.80.007689.631.71.111.6328.96310.30.01189.350.0%0.24%*h s 为加热板实测的总换热系数,W (m 2 )-1;h r 为加热板对空气的辐射量折算成的对流换热系数,W (m 2 )-1;h d 为对空气的导热量折算成的对流换热系数,W (m 2 )-1;h 为对流引起的对流换热系数,W (m 2 )-1;Pr =0.698.从表1的数据结果可以看出:(1)加了纵向涡发生器之后,速度与温度梯度的夹角 减小,使得u T 增加,传热效果得到了强化.同时,还可见到,由于 是接近90 的角,所以 的很小变化,也会使得cos 变化很大.(2)不同Re 下的强化换热效果不同,强化百分数随着Re 的增加先增加,后减少.这是因为在Re 较小时,传热以导热为主, 较小(偏离90 较多),即对流换热量较小,在换热过程中所占比例较小,虽然加了纵向涡发生器后,( 1- 2)/ 1较大,对流换热得到显著加强,最终的传热强化效果仍然较差;而Re 增大时, 增大,对流换热所占比例和量都增加,同时,( 1- 2)/ 1减小,纵向涡强化对流换热的作用减小,两者作用的综合使得Re =6000传热得到最大强化;Re 继续增大,流体本身已接近或达到紊流状态, 很大(接近90 ),但是因为角度变化率( 1- 2)/ 1很小,纵向涡的强化换热作用减弱,因而传热强化效果受到影响.3结论纵向涡发生器使主流中增加了二次流,二次流在垂直加热板的分量改变了速度场的方向,减小了速度场和温度场之间的夹角,相当于减小了速度和温度梯度的夹角,从而强化了传热.参考文献:[1] Fie big M.V or tices,g ener ato rs a nd hea t tra nsfer [J].Tr ans I CHem E(A),1998,76(2):108-122.[2] 过增元.对流换热的物理机制及其控制:速度场与热流场的协同[J].科学通报,2001,45(19):2118-2121.[3] 姚 刚,杨泽亮.纵向涡强化传热的实验研究[J].实验力学,2001,16(2):158-162.[4] 杨泽亮,姚 刚.水平矩形通道内纵向涡发生器强化传热的研究[J].华南理工大学学报,2001,29(8):30-33.A n A nalysis of the Vortex Generators Heat Enhancementwith the Field Synergy TheoryYa ng Ze_lia ng 1Song Zhuo _rui 1Song Yao _zu2(1.C olleg e o f Ele ctric Po wer ,So uth China U niv.o f T ech.,G uangzho u 510640;2.D ept.of M echanics,T singhua U niv.,Be ijing 100084,China)Ab stract:Delta wing let vor tex generato rs (DWV Gs)can generate longitudinal vor tex es in a channe l.This paper studies the heat tr ansfer enhancement be tw een a heating surface a nd f low ing a ir,in the co n text o f f orcing flo w,w ithin low w all temperature up to 120 and Re num ber f rom 800to 7000.The field synergy theory is used to a na lyze the pr inciple o f heat transfer enhancement,w hich is caused by sticking DWVGs on the inner plane o f the channel.Ke y words:lo ng itudina l vo rtex;vo rtex gene rator;heat transfer enhancem ent;field sy ne rgy第6期杨泽亮等:纵向涡发生器强化换热的场协同分析35。

制冷空调换热器的研究进展(一)——小管径翅片管换热器丁国良; 吴国明; 刘挺【期刊名称】《《家电科技》》【年(卷),期】2019(000)004【总页数】7页(P40-45,58)【关键词】空调器; 翅片管换热器; 小管径; 翅片; 分配器【作者】丁国良; 吴国明; 刘挺【作者单位】上海交通大学制冷与低温工程研究所上海200240; 中国家用电器研究院北京 100053【正文语种】中文1 引言换热器是制冷空调设备中的重要组成部件。

在影响制冷空调产品整机能效的各项因素中，换热器传热温差导致的不可逆损失是其中最主要的因素；在决定整机体积大小的因素中，换热器也大多是最主要因素。

因此，换热器的优化成为制冷空调产品中提升能效、减少体积与材料消耗的关键。

应用于制冷空调产品中的换热器型式较多，包括翅片管式换热器、板式换热器、微通道换热器等。

这些换热器的技术进展，主要在换热性能提升、生产工艺改进，以及和整机的优化匹配。

换热器长时间运行后，会出现性能衰减的问题，从而导致空调器的能效降低，因此换热器在长期运行条件下能否保持高效的换热性能也是技术发展的重要方向。

翅片管式换热器是目前应用最广泛的换热器型式，其中管子采用铜管，翅片采用铝片。

家用空调器的蒸发器和冷凝器基本上均采用翅片管式换热器，该型式换热器每年的产量达到数亿套。

目前翅片管式换热器的主要研究进展是紧凑化，即采用小管径铜管。

小管径换热器具有更高的换热系数和更低的制造成本，有利于提高空调器的整机性能。

近年来，小管径换热器的优化设计、制造工艺、实际应用等方面研究进展很大，使得小管径空调占据超过20%的空调器市场。

鉴于制冷空调产品中换热器的重要性，作者拟采用系列论文的形式，介绍相关技术进展。

本文作为其中的第一篇，介绍小管径翅片管式换热器技术的进展。

2 翅片管换热器细径化的原因与优点翅片管式换热器紧凑化的一个主要方法，是采用较小管径铜管（通常≤5mm）的换热器替代现有换热器中直径较大的铜管。

纵向涡发生器对百叶窗翅片管换热器性能的提升
闫凯;刘妮;朱昌盛;齐亚茹
【期刊名称】《制冷技术》
【年(卷),期】2016(036)003
【摘要】百叶窗和纵向涡发生器都能够较大幅度提升翅片管换热器的换热能力,同时其流动阻力也相应增大.本文利用CFD技术对4种不同类型的翅片管换热器(平翅片、百叶窗翅片、百叶窗加装三角翼翅片和百叶窗加装矩形翼翅片)的流动传热性能进行了三维数值模拟,得到了在不同雷诺数下各翅片管换热器的换热因子j和摩擦因子f以及换热器综合性能j/f.结果表明,百叶窗翅片加装纵向涡发生器后,换热管尾部滞止区尺寸明显减小,滞止区与主流区的换热得到增强,换热器综合性能得到了提升,加装三角翼其换热器综合性能提升了1.25％～2.63％,加装矩形翼其换热器综合性能提升了3.33％～4.82％.
【总页数】5页(P19-23)
【作者】闫凯;刘妮;朱昌盛;齐亚茹
【作者单位】上海理工大学能源与动力工程学院,上海200093;上海理工大学能源与动力工程学院,上海200093;上海理工大学能源与动力工程学院,上海200093;上海理工大学能源与动力工程学院,上海200093
【正文语种】中文
【相关文献】
1.三种三角翼纵向涡翅片管换热器流动传热特性对比研究 [J], 刘丹丹;吴学红;张林;孟浩;吕彦力;李芳星
2.纵向涡发生器对圆形翅片管换热强化的影响 [J], 于恩播;孙铁;张素香
3.带有纵向涡发生器的翅片管的流动与传热数值研究 [J], 鹿世化;李奇贺
4.纵向涡发生器在翅片管束中的位置优化 [J],
5.花瓣状翅片管气体换热器(二)——横向与纵向冲刷花瓣状翅片管的强化传热性能比较 [J], 詹清流;邓先和
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基于场协同理论的纵向涡强化换热技术及其应用共3篇基于场协同理论的纵向涡强化换热技术及其应用1基于场协同理论的纵向涡强化换热技术及其应用换热过程在工业、交通、家庭等领域具有广泛的应用。

涡强化换热技术在换热领域中引起了广泛的关注，其原理是利用涡控制技术有效地增强流动中的混合传质过程，提高换热效率。

涡强化换热技术是一种新型的高效换热技术。

本文将介绍基于场协同理论的纵向涡强化换热技术及其应用。

一、基于场协同理论的纵向涡强化换热技术涡强化换热技术是利用纵向涡的控制能力和传热的协同作用，实现热传递和流动混合效率的增强。

涡强化换热技术主要有墙面涡强化、方腔式涡强化、以及点源涡强化等形式。

1、墙面涡强化墙面涡强化是一种基于壁面涡动控制的换热技术。

通过在热交换器管壁周围形成周期性的锯齿形纹理来产生壁面涡，使原本分离的边界层流动产生交错运动，从而实现混合传热，提高传热效率。

2、方腔式涡强化方腔式涡强化是一种运用方腔的结构特征来实现涡强化换热的技术。

当方腔中的流体从一侧进入，通过涡聚和混合效应，将流体输送至另一侧，并带着热量导入另一侧的流体中，实现高效换热。

3、点源涡强化点源涡强化是一种运用点源涡的结构特征来实现涡强化换热的技术。

点源涡是指由流体在非恒定流场中产生的局部涡旋，点源涡强化换热技术通过控制流场中的点源涡，将热量集中转移，实现高效换热。

二、基于场协同理论的纵向涡强化换热技术的应用涡强化换热技术的应用包括两个方面：一是在传统换热设备中的改造和优化；二是在新型的换热装置中的应用。

1、传统换热设备的涡强化改装基于场协同理论的纵向涡强化换热技术可以通过对换热器表面进行纹理设计或增设定向壁体等形式，实现传统换热设备的涡强化改装，提高传热效率。

2、新型换热装置的开发应用基于场协同理论的纵向涡强化换热技术还可以应用于新型的换热装置中，如涡管换热器。

涡管换热器结构简单，热量传递效率高，且具有耐腐蚀、易清洗等优点，因此被广泛地应用于化工、建材、食品等领域。

基于纵向涡的倾斜折流片支撑多管束受限外流的传热强化机理和热流传输规律研究这是一个非常复杂的物理问题，涉及到纵向涡、倾斜折流片、多管束受限外流传热强化机理和热流传输规律等多个方面。

以下是对该问题的一些基本理解和研究思路:1.纵向涡:纵向涡是指沿著管道纵向传播的涡旋，通常在管内流体流动时产生。

它们可以通过增加流体的湍流度来强化传热，提高热交换效率。

2.倾斜折流片:倾斜折流片通常用于改变流体的流动方向，同时也可以起到强化传热的作用。

通过调整折流片的倾斜角度和位置，可以进一步控制流体的流动特性和热交换效率。

3.多管束受限外流:多管束受限外流是指在一个封闭的空间内，由许多管道组成的管束中流动的流体。

这种流动模式通常会受到空间限制和流体动力学特性的影响。

4.传热强化机理:传热强化机理主要包括增加热交换面积、改变流动特性、增加流体的湍流度、减少热边界层厚度等。

通过这些方式，可以提高热交换效率，实现热流的传输和强化。

5.热流传输规律:热流传输规律主要受到温度差、流体特性、热交换面积、流动特性等因素的影响。

通过研究这些因素，可以深入了解热流的传输规律,为优化传热过程提供理论支持。

针对这个问题，可以进行以下研究:1.实验研究:通过实验手段，模拟纵向涡、倾斜折流片、多管束受限外流等条件下的流体流动和传热过程，测量相关参数，如温度、流速、热交换效率等。

2.数值模拟:利用数值模拟软件，对纵向涡、倾斜折流片、多管束受限外流等条件下的流体流动和传热过程进行模拟，通过调整参数和方法。

研究其强化传热的机理和规律。

3.理论分析:通过对纵向涡、倾斜折流片、多管束受限外流等条件下的流体流动和传热过程进行理论分析，推导相关公式和模型，解释强化传热的机理和规律。

4.系统优化:在实验、数值模拟和理论分析的基础上，对系统进行优化设计，包括管道排列、折流片位置和角度流体流动控制等，以提高系统的传热效率和稳定性。

总之，针对这个问题需要进行深入系统的研究，结合实验、数值模拟和理论分析等方法，探究纵向涡、倾斜折流片、多管束受限外流等条件下的传热强化机理和热流传输规律，为实现系统的优化设计提供理论支持和实践指导。

强化传热论文：强化传热热管翅片散热器纵向涡发生器【中文摘要】热管翅片散热器作为管翅式换热器众多形式的一种,以其良好的传热性能广泛应用于CPU等电子设备的散热。

气侧热阻是散热器总热阻的主要组成部分,如何增强气侧的换热以充分发挥热管的良好传热性能成为一个重要课题。

纵向涡发生器作为一种通过改变二次流分布来强化换热的无源强化传热技术,能以较小的压差损失获得较好的强化传热效果。

本文对加装矩形小翼纵向涡发生器的热管翅片散热器流动和传热特性进行数值计算,并应用PIV激光粒子成像测速方法研究了圆柱下游布置矩形小翼纵向涡发生器的流场分布和流动形态。

通过数值模拟讨论热管横向间距、翅片长度、管子纵向偏移量等管翅相对位置因素对散热器流动和传热特性的影响。

模拟结果表明：适当的横向管间距是保证翅片散热量的重要条件；减小翅片长度,有利于提高单位翅片面积散热量；向下游适当偏移换热管,可在一定程度上提高整体传热系数,而且小长度翅片相对提高程度较大。

通过数值模拟研究加装矩形小翼纵向涡发生器对散热器流动换热特性的影响规律,讨论了纵向涡发生器的迎流攻角、在翅片上的位置、弦长、渐扩渐缩布置等参数变化对其性能的影响。

数值模拟的结果表明：在模拟流速范围内,加装矩形小翼纵向涡发生器使热管翅片散热器的整体传热因子提高15%～19%,相应阻力因子增加30%～42%；分析加装纵向涡发生器的流道截面等速线图、速度矢量图和等温图,发现纵向涡改变了流场分布,促进了壁面附近与主流区流体的混合、减薄了传热壁面附近的热边界层、增加了温度梯度,纵向涡发生器布于换热管下游,起到抑制、削弱其尾流传热恶化区的作用；在模拟纵向涡发生器迎流攻角范围内,攻角为30°时纵向涡发生器的综合传热流动性能较佳；纵向涡发生器后置强化传热效果较好,前置较差,侧置则介于前两者之间；传热因子j和阻力因子f均随纵向涡发生器弦长的增加而呈均匀的增加；迎流攻角30°后置,纵向涡发生器采用渐扩布置比采用渐缩布置强化传热效果好很多。

矩形通道内纵向涡发生器布置方式对流动传热的影响蔡楠;田丽亭;闵春华;齐承英;李平【摘要】对矩形通道内非对称布置矩形纵向涡发生器进行了数值模拟研究,得出了Re在500 ～2 000范围内非对称布置纵向涡发生器对空气的流动和换热特性的影响规律.结果表明:非对称布置纵向涡发生器比对称布置纵向涡发生器的Nu数仅减少了4％～ 6％,而阻力因子f减少了11％～ 12％,减阻效果非常明显.非对称布置纵向涡发生器的综合换热性能j/f比对称布置方式增加了5％～ 20％,表明非对称布置纵向涡发生器的综合换热性能更好.【期刊名称】《河北工业大学学报》【年(卷),期】2015(044)001【总页数】6页(P60-65)【关键词】纵向涡发生器;非对称布置;绝对涡通量;流动减阻;数值模拟【作者】蔡楠;田丽亭;闵春华;齐承英;李平【作者单位】河北工业大学能源与环境工程学院,天津300401;河北工业大学能源与环境工程学院,天津300401;河北工业大学能源与环境工程学院,天津300401;河北工业大学能源与环境工程学院,天津300401;河北工业大学能源与环境工程学院,天津300401【正文语种】中文【中图分类】TK124纵向涡发生器是一种通过使流体产生纵向涡，从而增加湍流度来强化换热的装置．纵向涡发生器因其良好的强化传热性能而备受关注．由于换热器的热阻主要集中在空气侧，因此，强化空气侧换热是提高综合换热的关键．文献[1-6]分别研究了加装有纵向涡发生器通道内空气的流动和换热特性．同时，纵向涡发生器的布置方式也是强化换热的关键，王令等[7]对单侧带有周期性分布纵向涡发生器的矩形窄通道内强化换热进行了实验研究，研究结果发现纵向涡发生器对换热有较好的强化作用，同时通道的阻力略有增加，并且顺流布置方式的综合流动和换热效果要略好于逆流布置方式．Hsiao等[8]将非对称布置纵向涡发生器用于微通道中流体的混合，并分析了不对称度、攻角等对混合效率的影响．本文对非对称布置纵向涡发生器和对称布置纵向涡发生器流动和换热效果进行数值模拟，对比两者的换热特性、阻力特性和综合换热特性，为优化矩形通道内的强化换热提供参考．1.1 物理问题描述本文对以空气为介质矩形通道内的流动换热进行模拟研究．矩形通道尺寸为350mm×60mm×20mm（长×宽×高）．在通道下壁面安装3排矩形翼纵向涡发生器，矩形翼的布置方式如图1所示，分别命名为对称布置、非对称布置、无小翼非对称布置．矩形翼模型的结构如图1a）所示，矩形翼的结构参数如下：矩形翼大翼长l=20mm，小翼长l'=10mm，宽度d=2mm，高h=10mm，攻角=45o．1.2 计算方法本文采用Fluent软件，将空气视为常物性不可压缩流体，流体在通道中的流动假设为三维、湍流、稳态、无粘性耗散．计算采用RNG-模型，压力和速度的耦合采用SIMPLE算法，对流项离散采用二阶迎风格式，扩散项离散采用中心差分法．网格生成采用ICEM的BLOCK技术生成结构化网格，比较Nu数与阻力因子f随网格数的变化关系，结果如图2所示，当网格数达到1 052 000时，继续增加网格数对计算结果的影响不大，数和阻力因子f随网格数几乎不变，可以认为当网格数为1052 000时，获得网格无关的独立解，因此计算通道的网格数采用1 052 000．1.3 边界条件进口截面：=，=0，=0，温度为300K；两边侧壁面：===0，绝热；上壁面：===0，绝热；下壁面：===0，w=1 500W/m2；出口截面边界条件如式(1)所示．2.1 强化换热性能分析将无纵向涡发生器的矩形通道，即光通道与经典关联式Dittus-Boelter：=0.0230.80.4进行对比，考虑到入口效应的影响，即入口段由于热边界层较薄而具有比较高的表面传热系数．进行入口效应修正：=1+/0.7，修正后的公式为：=0.0230.80.4．从图3中可以看到，光通道与修正后的经典关联式吻合较良好，最大误差在16%的允许范围内，表明本文的模拟方法可信．由图4中3种不同矩形翼布置方式换热效果的比较可以看出对称布置涡发生器最大,换热效果最好．2种非对称布置涡发生器接近，换热效果不如对称布置．对称布置涡发生器的要比2种非对称布置高大约4%左右．2.1.1 3 种布置方式产生的纵向涡情况图5为矩形通道中3种布置方式在=1 400时= 50mm截面速度云图和流线图．由图中可以看出，矩形翼对称布置时两个大翼尾部产生两个明显的涡旋，涡的旋转主轴与主流方向一致，并随着主流向下游移动．两个大翼尺寸相同，迎流面积相同，故形成的两个涡旋强度一致，仅旋转方向相反，两者成镜像分布，左边的涡旋按顺时针方向旋转，右边的涡旋按逆时针方向旋转，这些纵向涡旋主要是由于流体流经矩形翼时产生压力差所造成的．由于纵向涡的产生形成高动量的旋转流动，将壁面附近的流体运往主流，同时又将主流的流体运往壁面，使冷热流体相互掺混，增强了近壁面处的扰动，使近壁面处边界层的速度梯度和温度梯度发生改变，减薄和破坏了边界层，从而强化了传热．矩形翼非对称布置时，空气流经第1排涡发生器时在小翼和大翼尾缘处各产生一个涡旋，由于小翼对主流的阻碍作用减弱，小翼产生的涡旋强度小于大翼．同时涡旋在流动发展过程中由于黏性耗散逐渐衰弱，故在所选截面处，左边小翼产生的涡旋远小于右边大翼产生的涡旋．无小翼非对称布置方式由于流体只流经一个大翼，故只在右边大翼尾部产生一个较大涡旋．这与图7中计算的绝对涡通量的规律相符．对称布置方式产生的二次流最强，非对称次之，无小翼非对称布置最弱．图6为3种布置方式在=1400时=140mm截面速度云图和流线图．从图中可以看出矩形翼对称布置时在第3排大翼尾部产生了两个较大的涡旋，这两个涡旋旋转方向相反、强度相同，截面上的速度分布左右对称．2种非对称布置方式中，由于前3排大翼小翼位置的交替变更，在第3排涡发生器后，也形成了两个较大的涡旋，两个涡旋同样旋转方向相反，但是强度不等，右侧涡旋稍大于左侧．同时截面上2种非对称布置还在侧壁形成角涡，其强度远小于主涡．总体来看，3种布置方式产生的涡强弱不同，但经过多排涡旋前后的叠加，到了第3排矩形翼下游，3种布置方式形成的涡结构并没有太大的差别．这也是为什么3种矩形翼布置方式换热性能相差不大的原因．2.1.2 通道内流动特性的比较当流体经过涡流发生器时，在压差作用下产生纵向涡，ABS表示横截面上的单位面积绝对涡通量，可以描述二次流强度[9]．图7给出了=1 400时，3种布置方式下绝对涡通量沿x方向上的变化．从图7中可以看出，流体经过第1排涡发生器后，由于在涡发生器尾部产生纵向涡旋，形成二次流，3种布置的绝对涡通量均有上升，随着流动的进行，纵向涡开始减弱，绝对涡通量开始下降，当流经第2排涡发生器时，在第2排涡发生器后又形成了新的纵向涡旋，第2次形成的涡旋与第1次未完全消失的涡旋相互促进，加强了扰动，使绝对涡通量增加，这也是为什么流经第2排时绝对涡通量比第1排时要高的原因．因此，在流经第3排涡发生器后，绝对涡通量达到了顶峰，之后随着纵向涡减弱并消失，绝对涡通量趋于一个定值．比较后可以发现对称布置的绝对涡通量要大于2种非对称布置，对称布置产生的二次流强度要稍高于2种非对称布置．图8为3种布置方式在矩形通道中=1 400时贴近下壁面的流体截面的温度分布图．图的左面为进口，右面为出口．空气进口温度设置为300K，加热面的热流密度=1 500W/m2．由图中可以看出，空气流经涡发生器后，均产生了一部分低温区域，流体流经涡发生器的排数越多，低温区域范围越大，高温区域范围越小，换热效果越好．这是由于，流经的涡发生器越多，产生的纵向涡越多，纵向涡不断冲刷着壁面，破坏边界层的发展，使之无法形成厚的边界层，从而使平均换热系数增加．同时，流场与温度场之间相互作用和影响，对称布置纵向涡发生器的温度分布与流线一样，成对称式分布，而2种非对称布置方式的温度分布，随着流体的流动，近壁面温度分布变得不对称，出现低温区左右摇摆的分布趋势．2.1.3 通道内局部换热特性的比较图9为3种布置方式在=1400时，主流方向上局部的变化规律．从图9中可以看出，一定时，流体刚进入通道时，由于入口段的边界层较薄，局部Nuχ数较高，随着流动的进行，入口效应逐渐减弱，数快速降低．当流体流经第1排涡发生器时，在涡发生器尾部，在压差的作用下，产生了二次流，加强了扰动和混合，N数有所增加，随着流体在通道内的继续流动，二次流强度降低，对流体的扰动作用下降，数开始下降．当流体流经第2排涡发生器时，在涡发生器尾部重新形成二次流，与第1次形成的二次流相互作用，使扰动效果增强，数进一步增大．同理，当流体流经第3排涡发生器后，数到达了顶峰．之后，由于二次流逐渐消失，数趋于一个定值．2.2 阻力因子分析阻力因子反映的是通道内的阻力特性，其值越大，耗功越多．图10为3种布置方式阻力因子的比较，非对称布置虽然在换热性能上不如对称布置，但通道流通较为通畅，阻力明显要小于对称布置形式，降低了14%～22%．其中，无小翼非对称布置减阻效果最为明显．无小翼非对称布置方式要比非对称布置阻力降低9%左右，比对称布置方式降低22%左右．2.3 综合换热性能分析综合比较换热性能和阻力性能时，一般用j因子（如式(3)）与阻力因子的比值作比较．其值越大，表明综合换热性能越好．图11显示了综合换热性能的比较，比较后可以发现无小翼非对称布置方式的综合换热性能最佳．从图中还可以看出随着数的增加，综合换热性能先增大后减小，这是因为在数较小时，因子对综合换热性能影响较大，而当数变大时，因子对综合换热性能起到了决定作用．本文提出一种新的矩形翼布置方式—非对称布置．从绝对涡通量ABS、努塞尔数、阻力因子和综合换热性能/4个方面来与传统的对称布置方式进行对比，得出以下结论：1）通过比较3种布置方式的绝对涡通量可以发现，空气流经纵向涡发生器时绝对涡通量均有所上升，2种非对称布置纵向涡发生器产生的绝对涡通量不如对称布置，意味着非对称布置方式产生的二次流强度不如对称布置．2）2 种非对称布置纵向涡发生器在强化换热方面要稍低于对称布置方式，数仅降低了4%～6%．3）2种非对称布置纵向涡发生器在减阻方面优于对称布置，降低了14%～22%，降阻效果十分明显．4）对比综合换热性能，2种非对称布置纵向涡发生器比对称布置纵向涡发生器综合换热性能提高了5%～20%左右，充分说明非对称布置是更优化的设计．【相关文献】[1]汪健生，张金凤，刘志毅．小尺度涡流发生器强化传热的数值模拟[J]．化工学报，2007，58（7）：1648-1654．[2]刘尹红，卿德藩．纵向涡发生器在空气预热器中的强化传热数值模拟研究[J]．机械研究与应用，2009，21（6）：18-20．[3]魏晋，齐承英．纵向涡发生器强化换热性能的数值研究[J]．河北工业大学学报，2006，35（6）：88-91．[4]楚攀，何雅玲，李瑞，等．带纵向涡发生器的椭圆管翅片换热器数值分析[J]．工程热物理学报，2008，29（3）：488-490．[5]王令，陈秋炀，曾敏，等．矩形窄通道内带纵向涡发生器的传热强化[J]．化工学报，2006，57（11）：2549-2553．[6]田林，柏巍，薛山虎，等．纵向涡发生器对矩形通道内流动换热的影响研究[J]．工程热物理学报，2013，34（2）：324-327．[7]王令，陈秋炀，周砚耕，等．单侧带有周期性分布纵向涡发生器的矩形窄通道内传热强化的实验研究[J]．核动力工程，2005，26（4）：344-347+359．[8]Hsiao KY，Wu CY，Huang Y T．Fluidmixing in amicrochannelwith longitudinalvortex generators[J]．Chemical Engineering Journal，2014，235：27-36．[9]张葳，苏梅，宋克伟，等．圆管管翅散热器肋侧主流方向绝对涡通量研究[J]．工程热物理学报，2011，32（10）：1734-1736．。

扁管换热器内纵向涡强度与换热强度对应关系宋克伟;刘松;王良璧【摘要】The longitudinal vortices can potentially enhance heat transfer with small pressure loss penalty. Vortex generators (VGs) which can generate longitudinal vortices are widely used in fin-and-tube heat exchangers for heat transfer enhancement. But for a long time, researches are carried out focusing on the effect of the shape and parameters of VGs on heat transfer and the relationship between the longitudinal vortices intensity and heat transfer intensity is analyzed qualitatively. The quantitative relationship between the longitudinal vortices intensity and heat transfer intensity is seldom reported. Longitudinal vortex is a typical secondary flow, and thus the longitudinal vortex intensity can be defined using the secondary flow intensity parameter. In this paper, the numerical models of flat tube bank fin heat exchanger with VGs mounted on the fin surfaces are studied for different fin and VGs parameters. The longitudinal vortices intensity is quantitatively defined using the nondimensional secondary flow intensity parameterSe. The relationship between the longitudinal vortices intensity and the heat transfer intensity and that between the increment values ofSe andNu caused by the longitudinal vortices are quantitatively studied. The results show that there is no corresponding relationships neither betweenNu andRe, nor betweenSeandRe. Similarly, no linear relationship exists between the friction factorf and the values ofRe andSe. But the correspondingrelationship exists not only betweenSe andNu but also?Seand?Nu. The longitudinal vortices intensity determines the heat transfer intensity in the flat tube fin heat exchanger.%纵向涡强化传热技术在管翅式换热器中得到了广泛的应用.但是一直以来对纵向涡强化传热的研究主要停留在涡产生器结构参数及布置方式对换热的影响方面,文献对纵向涡强度与换热强度之间定量关系的研究鲜有报道.建立了采用纵向涡强化传热的扁管管翅换热器数值模型,采用二次流强度参数Se分析了翅片及涡产生器结构参数变化时,通道内纵向涡强度与换热强度之间的定量关系;并定量分析了通道中涡产生器引起的纵向涡强度增量与传热强化量之间的定量关系.结果表明:翅片及涡产生器结构参数变化时,Nu、Se与Re之间,以及阻力系数f与Re及Se之间均不存在定量对应关系,但Se与Nu以及?Se与?Nu之间存在对应关系.这表明,在布置有纵向涡产生器的扁管管翅换热器翅侧通道内,纵向涡强度决定了通道内的换热强度.【期刊名称】《化工学报》【年(卷),期】2016(005)005【总页数】10页(P1858-1867)【关键词】涡产生器;纵向涡强度;换热强度;定量关系;传热;数值分析【作者】宋克伟;刘松;王良璧【作者单位】兰州交通大学机电学院,铁道车辆热工教育部重点实验室,甘肃兰州730070;兰州交通大学机电学院,铁道车辆热工教育部重点实验室,甘肃兰州730070;兰州交通大学机电学院,铁道车辆热工教育部重点实验室,甘肃兰州730070【正文语种】中文【中图分类】TK121DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20151231涡分为纵向涡和横向涡。

换热通道内纵向涡干涉及其流动与强化传热特性数值研究换热通道内纵向涡干涉及其流动与强化传热特性数值研究摘要：本文通过数值模拟方法研究了换热通道内纵向涡的产生和演化过程，并探讨了其对流动和传热特性的影响。

研究发现，在换热通道内引入纵向涡能够有效地增强换热效果，提高传热性能。

引言换热是许多工程领域中重要的过程，如核电站、汽车发动机冷却系统等。

提高换热效率和传热性能对于提高设备性能和节能减排具有重要意义。

纵向涡是一种通过改变流动结构来增强传热的方法，在多相流、换热器以及燃烧室等领域具有广泛的应用。

本文通过数值模拟方法研究了换热通道内纵向涡的产生和演化过程，并探讨了其对流动和传热特性的影响，旨在为优化换热器结构和提高传热性能提供一定的参考。

方法基于Navier-Stokes方程和动量方程，我们建立了数学模型来描述换热通道内的流动行为，并采用计算流体力学（CFD）方法进行数值模拟。

在模拟过程中，考虑了通道内的流体动力学特性以及边界条件，包括壁面温度和速度等。

同时，我们引入了纵向涡的产生机制和参数，并对其相关特性进行分析。

结果与讨论通过模拟，我们观察到在换热通道内的流动中纵向涡的产生。

当入口流速和涡旋强度逐渐增加时，纵向涡的规模和数量也随之增加。

此外，涡旋与壁面之间的距离也对涡的特性有一定影响。

更接近壁面的涡旋通常具有更高的传热效果。

此外，我们还发现纵向涡的存在可以破坏传统的流动结构，形成更复杂的流动模式，从而增加了热量的传输路径，提高了传热性能。

结论本研究通过数值模拟方法研究了换热通道内纵向涡的产生和演化过程，并探讨了其对流动和传热特性的影响。

研究发现，在换热通道内引入纵向涡能够有效地增强换热效果，提高传热性能。

由于涡旋的产生机制和特性对换热和流动过程有重要影响，未来应进一步研究涡旋的优化控制方法和实际应用效果，在工程实践中广泛推广纵向涡的运用，以进一步提高换热系统的性能和效率。

同时，本研究还对于传热特性的数值分析方法提供了一定的参考，可为其他相关领域的研究提供一定的指导意义。

核 动 力 工 程Nuclear Power Engineering第29卷 第3 期 2 0 0 8 年6月V ol. 29. No.3 Jun. 2 0 0 8文章编号：0258-0926(2008)03-0099-05CFD 在纵向涡强化两相传热模拟中的应用黄 军1, 2，王海刚2，黄彦平1，马 建1，王秋旺2（1. 中国核动力研究设计院空泡物理和自然循环国家级重点实验室，成都，610041；2. 西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室，西安，710049）摘要：利用纵向涡发生器在窄间隙矩形通道内产生的纵向涡可以起到强化传热的作用。

运用CFD 商业软件CFX10.0对带纵向涡发生器的窄间隙矩形通道内的汽液两相介质进行了模拟计算。

结果表明，产生的纵向涡能有效地降低窄间隙矩形通道的边角处热量集中，提高中央主流区流速，进而明显提高加热板上的热流密度；LV 也能加强通道内冷热流体交混，起到强化传热的作用。

在本文参数范围内，相对于光滑通道而言，带LVG 的窄间隙矩形通道在适当增加流动阻力的基础上，能明显提高传热效率。

关键词：CFD 程序；纵向涡；强化传热；窄间隙矩形通道；CFX10.0 中图分类号：TK124 文献标识码：A1 引 言当流体流过障碍物时，会在其背后产生一系列漩涡，以促进主流区与传热壁面附近的流体间动量和能量的交换，削薄和破坏边界层，使传热得到强化。

在这些产生的漩涡中，主要有横向涡(TV)和纵向涡(LV)。

研究表明：由于其能在流动下游的较远范围内存在，LV 不仅能增强局部传热，也能全面提高Nu 数[1]。

LV 一般由纵向涡发生器(LVG) 产生。

由于LVG 的作用距离远、结构简单、安装高度低，对窄间隙通道的换热结构，LV 强化传热有着广泛的应用前景。

以往对LVG 传热强化的研究主要针对气体介质，只有极少数学者对矩形通道内水的强化换热问题进行过研究[1～3]。

实验研究难度大且周期长。

用CFD 软件CFX10.0对LV 强化传热进行前期的数值模拟，从而分析LV 在流道内的运动规律，对最终指导实验和节省实验经费具有重要意义。