纵向涡发生器强化换热的场协同分析_杨泽亮

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=2

mm.

图1 涡发生器布置示意图

F ig.1 Schemat ic diag ra m o f D WV

G 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-t

t 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 w

1004

-

T

100

4

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 y

w

=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=

u

u

, T=

T

(T w-T )/ t

,

y=y

t

,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 -u

u

=1-y

3

2

2

,

T-T

T w-T

= 1-

y

3

2

3

2

,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=-9

4

y- y52,

则

Nu x=4

7

Re x Pr co s

求出全板长上的Re x的平均值:

Re x=

u

v

L

x dx

L=

u L

2

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 =7

4

Nu x

Re 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.

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