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1、河北工业大学 硕士学位论文 新型纵向涡发生器流动与强化传热特性的实验研究 姓名：孔祥飞 申请学位级别：硕士 专业：热能工程 指导教师：齐承英 20100601 河北工业大学硕士学位论文 i 新型纵向涡发生器流动与强化传热特性的实验研究新型纵向涡发生器流动与强化传热特性的实验研究 摘摘 要要 搭建了用于研究纵向涡发生器的流动与强化传热特性的实验台。加热板采用三明治结 构，置于矩形通道中间，将通道分为上下相同的两个通道，这样就可以在等压差条件下， 通过上下风道阻力损失对比，对各种涡发生器的压降特性得出直观的认识。并利用红外热 像仪测取加热壁面的平均温度，进而求出纵向涡发生器的平均壁面换热系数和温度
2、场的局 部 Nu 数。此外，为了研究纵向涡的强化传热机理，又搭建了 PIV 测试实验台，对机理进 行了初步研究。 本文通过对矩形通道内布置矩形翼、组合翼和八边形翼纵向涡发生器的强化传热和阻 力特性进行了实验研究。在平直流道中雷诺数从 500020000 范围内的 6 种工况进行了对 比实验，其攻角设定为五种情况：25 ，35 ，45 ，55 ，65 。用换热能力比较法对矩形翼 和组合翼进行了比较实验。结果表明：矩形翼和组合翼纵向涡发生器均能够起到强化传热 的作用；辅翼迎风布置的组合翼显示出了更好的强化传热能力，并且流动阻力也比原始矩 形翼要低。又用平均 Nu 数法对矩形翼和八边形翼纵向涡发生器
3、进行了比较实验。结果表 明：比起矩形翼来，三种八边翼纵向涡发生器都具有较好的流动和传热特性；尤其是第三 种八边形翼，其传热特性比矩形翼好得同时，阻力损失要比矩形翼小得多。 用PIV 测试纵向涡发生器的流场，发现纵向涡的下扫运动对于强化传热是非常有益 的；而八边形翼的主涡核距离加热面更近一些，因此八边形翼比矩形翼具有更好的强化传 热特性。 关键词关键词：纵向涡发生器 矩形翼 组合翼 八边形翼 PIV 新型纵向涡发生器流动与强化传热特性的实验研究 ii EXPERIMENTAL STUDY OF FLUID FLOW AND HEAT TRANSFER WITH THE NOVEL LONGITU
4、DINAL VORTEX GENERATOR ABSTRACT An experimental duct was completed to study the fluid flow and heat transfer with three kinds of longitudinal vortex generator. The heater with sandwich structure was centrally fixed in the middle of the channel, thereby dividing the channel into two identical passage
5、s. So it could be assumed that the upper and lower channel had the same pressure. In order to obtain the average Nusselt number and the local Nusselt number of LVG, the Thermal Camera was utilized. Furthermore, the other experimental system was developed to investigate the mechanism of heat enhancem
6、ent using Particle Image Velocimetry (PIV). In the rectangular duct , six Reynolds number was chosen from 5000 to 20000, and the angles of attack was 25 ，35 ，45 ，55 and 65 . The heat transfer and fluid flow characteristics of the rectangular wing and combined wings were experimentally compared under
7、 the condition of identical pressure drop. The results showed that both rectangular wing and combined wings had the good heat transfer enhancement performance, and the latter was the better one. Then another comparison of rectangle wing with octagon wing was made through average Nusselt number metho
8、d, and found that compared with octagonal wing, all the three kinds of octagonal wing had better heat transfer enhancement performance. The experimental results obtained by using PIV showed that the down-sweep of the longitudinal vortices is beneficial to the heat transfer enhancement, and the dista
9、nce from the core of the main vortices of MRWP to the heater wall is slightly lower than those of RWP, and hence MRWP has a comparably better heat transfer characteristic. KEY WORDS: longitudinal vortex generator, rectangular wing, combined rectangular wing, octagon wing, PIV 河北工业大学硕士学位论文 v 符号说明符号说明
10、 A表面积，m2。 p c比定压热容，J/(kg k)。 W通道宽度，m。 De当量直径，m。 f范宁摩擦系数。 h对流换热表面系数，w/(m2 k)。 hx为局部对流换热系数 w/(m2 k)。 H通道高度，m。 l扰流元长度，m。 L通道长度，m。 P功率，w。 p流动压力损失，Pa。 qi 热流密度，w/m2。 Q1电加热量，w。 Q2流体带走的热量，w。 v q体积流量，m3/s。 s扰流元前沿间距，m。 T温度,。 T0上层风道没有布置扰流元时的局部温度值， 。 1 T x = 34mm 位置的横向线平均温度值，。 f T工质试验段平均温度，。 Tbx工质试验段局部温度，。 t 扰流
11、元厚度，m。 in T试验段入口温度, 。 out T试验段出口温度, 。 w T试验段壁面平均温度, 。 Uup上层风道的入口速度,m/s。 Ulow下层风道的入口速度,m/s。 x工质流动方向。 y通道高度方向。 z通道宽度方向。 斜边倾角， 。 迎流攻角, 。 R换热提高比。 （动力）粘度, Pa s。 导热系数，w/(m k)。 密度， kg/m3。 Re雷诺数。 Nu 努塞尔数。 Num平均努塞尔数 上下通道的阻力系数比，无量纲参数。 河北工业大学硕士学位论文 原创性声明原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成 果。除文中已经注明引用的内
12、容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公 开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人 和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 关于学位论文版权使用授权的说明关于学位论文版权使用授权的说明 本人完全了解河北工业大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。同意如下各项内 容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和 电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索 以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权
13、按有关规定向国家有关部门或者 机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的 部分或全部内容用于学术活动。 （保密的学位论文在解密后适用本授权说明） 学位论文作者签名： 日期：年月 日 导 师 签 名： 日期：年 月日 河北工业大学硕士学位论文 1 第一章第一章 绪论绪论 1-1 引言引言 工质的流动和传热是动力、核能、制冷、化工、石油、航空、火箭和航天等工业中的常见过程。在 这些工业的换热设备中广泛的存在着各种传热问题。 在制冷工业中， 以食品冷藏和医疗卫生事业常用的 以氨为制冷剂的蒸汽压缩制冷装置为例， 经过压缩机压缩后的气态氨在凝结器中被冷凝成为液体， 液
14、化 后的高压液氨在膨胀机或节流阀中绝热膨胀， 使温度下降到远低于周围环境的温度。 这种低温氨流体在 流经蒸发器时吸热蒸发而回复到原先进入压缩机时的氨气状态。此后，再重复新的循环。在上述的以氨 或其他工质为制冷剂的蒸汽压缩制冷装置中， 以及其他诸如蒸汽喷射式和吸收式制冷装置中， 都存在凝 结器和蒸发器等换热器，因而也都存在传热问题。在航空、火箭以及航天工业中，发动机和辅助动力装 置在运行时析出的热量必须及时传出。 在亚音速飞行时， 航空发动机及辅助动力装置通常用空气或燃料 油进行冷却。在高超音速飞行时，进入飞行器的空气由于气动力加热，不能再做冷却剂，此外飞行器本 身的机舱、仪器设备和结构部件也需
15、要冷却，所以冷却只能靠飞行前储存好的冷却剂进行。作为冷却剂 的燃料油、 制冷液或水等都是通过换热器吸收各种系统中的热量， 因而现代飞行器均带有存在各种传热 过程的换热器，如保证发动机和辅助动力装置正常运转的冷却装置、机舱冷却装置、仪表冷却装置等。 在其他工业中也不难列举出存在一系列与加热、冷却、蒸馏、供暖等传热过程有关的换热器。 换热器在工业生产中或高科技领域中不仅是保证设备正常运转的不可缺少的部件，而且在金属消 耗、动力消耗和投资方面，在整个工程中占有重要份额。据统计，在热电厂中，如果将锅炉也作为换热 设备，则整个换热器的投资约占整个电厂总投资的 70%左右。在一般石油化工企业中，换热器的投资 要占全部投资的 40%50%；在现代石油化工企业中约占 20%30%。在制冷机中，蒸发器的质量要占制 冷机总质量的 30%40%，其动力消耗约占总值的 20%30%。由此可见，换热器的合理设计、运转和改 进对于节省资金、材料、能源和空间而言是十分重要的。 近几十年来，各种工业飞速发展。由于增大设备容量可以减少设备的投资和运转费用，各工业部门 均大力发展大容量设备。大容量设备在布置上要
