纵向涡发生器的强化传热作用与研究进展

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1、纵向涡发生器的强化传热作用与研究进展纵向涡发生器的强化传热作用与研究进展 THE DEVELOPMENT PROCESS AND PERSPECTIVE OF HEAT TRANSFER BY LONGITUDINAL VORTEX GENERATORS 祁小松 张华 武俊梅 上海理工大学制冷技术研究所 上海 200093 摘 要摘 要：首先简要回顾了纵向涡发生器的发展历程，对前人进行的关于纵向涡发生器的实验研究和数值分 析进行了归纳分析，并运用场协同原理对纵向涡强化换热的机理进行了初步分析。最终得出结论，对以后 纵向涡发生器的发展和研究给出具体意见。 关键词关键词：纵向涡发生器；强化换热；实

2、验研究 引言引言 紧凑式换热器在许多领域都有着重要的应用， 比如汽车工业、空气调节、动力、化工、电子冷却、 航空、航天等研究领域都正在使用或者期待效率更 高、成本更低的紧凑式换热器以提高设备的整体性 能。由于管外空气热物性的限制，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（main flow enhanc

3、ement） ，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 （secondary flow enhancement）1，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 （Longitudinal Vortex Generators， LVGs） 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。 图11 几种比较常见的纵向涡发生器 1. 研究历史及进展研究历史及进展最早将纵向涡用于边界层控制的报道是由 Schubauer 和 Spangenberg 发表于

4、 1960 年。早期对纵向涡的研究着眼于用它来推迟机翼表面的边界 层的分离，滞后失速，以减少飞行阻力。而将纵向资助项目：上海市重点学科建设（编号：S30503） *联系人及作者简介：祁小松，男，硕士研究生； E-mail： 101涡和换热联系在一起的报道则是在 1969 年， Eibeck 等将一个三角形小翼型的纵向涡发生器安置在圆 柱的某一切向位置，流体横掠过圆柱表面，经过测 试发现该部分局部 Nu 数增加了 200%， 但整体换热 并没有增加，因为圆柱表面其他位置处的 Nu 数都 降低了，他们把局部换热的提高解释为涡增加了热 混合。接着在 1986 年，Turk 及 Junkhan 研究了

5、层 流平板上前后安置两排矩形小翼的 LVG 的强化换 热效果，发现对于一般平板层流安置了 LVG 后，下游的换热可以得到很大的强化。 Eibeck 及 Eaton2详细研究了一对三角形小翼 置于平板湍流边界层时热量和动量的传输。作者把 一对小翼的放置情况分为两种，见图 1-2。所产生 的一对纵向涡在两小翼之间诱导产生的速度方向 如指向壁面，称为向壁涡对（common inflow pair） ； 所产生的一对纵向涡在两小翼之间诱导产生的速 度方向如背向壁面， 称为背壁涡对 （common outflow pair） 。 图 12 一对三角形小翼在平板表面的放置情况 实验发现向壁涡对效果远好于背

6、壁涡对，其在 下冲壁面产生的纵向涡不仅可以强化局部换热，而 且能增加下游流体和壁面的动量、能量交换，最终 导致平板整体换热效果的提高，所以向壁涡对有利 于平板换热的强化，涡之间以及涡与壁面之间的摩 擦也同时导致了流动阻力的提高。 这些早期的研究成果都比较令人鼓舞，说明纵 向涡的确是一种有潜力的强化换热手段，特别是随 着各行业对紧凑式换热器要求的不断提高，从 20 世纪 80 年代中期开始，很多学者都在纵向涡强化 翅片换热方面进行了大量的研究。特别是数值模拟 技术的突飞猛进，使得人们对该项研究不再仅仅依 赖于实验测试，数值模拟方法使得该项研究不仅进 程加快，研究成本也急剧降低。在众多的研究者当

7、中，最具代表的就是德国学者 Fiebig 和他的研究组成员。 迄今为止，研究最多的、被认为适宜作纵向涡 发生器的型式大概有四种，见 1-3。Fiebig 等4于 1986 年在一个层流矩形通道内放置了一个三角形 翼或一对三角形小翼，并进行了实验研究， Re=13602270， 用瞬间液晶热像法 （unsteady liquid crystal thermography）测得局部换热强化可达 200%，三角形翼的局部换热强化效果更好，在 Re=1360 时，总的 j 因子可增加 2060%。1991 年， Fiebig 等又在前面工作的基础上，对矩形通道内传 热的发展段，设置图 1-3 所示的四

8、种不同的纵向涡 发生器进行了实验研究，雷诺数范围在 10002000 之间，发现纵向涡的稳定性不仅与雷诺数有关，而 且还与冲角有关。 102图 13 四种常见的纵向涡发生器 为了对纵向涡强化换热的历程和现状进展有 进一步直观的了解，现特在表 1-1 中汇总了自上世纪 90 年代以来国内外的学者关于纵向涡发生器用 于强化换热的主要数值研究工作。 表 1-1 纵向涡发生器强化换热的主要数值研究工作 NO 时间 作者 研究内容及数值方法 主要结果 1 1989 Biswas 等 一个三角形翼置于矩形通道，冲角为 20 和26， 不计厚度， 没有小孔， 流动为发展中的层流，并有自然对流 在 Re=50

9、0、冲角为 26 时，与没有涡发生器的通道相比，Nu 数增加 34%，阻力 f 系数增加 79% 2 1989 Fiebig 等 三角形翼及一对三角形小翼至于两块平板组成的平行通道， 不计厚度， 有小孔， 冲角在 1050之间，Re=5002000，发展中的层流 纵向涡的二次流速达到轴向速度的量级， 纵向涡与壁面的作用使涡的断面由圆形变成椭圆形；在Re=4000，冲角为 30 时，一对三角形小翼使换热强化 84% 3 1992 Fiebig和Sanchez 计算单元包括一个圆管、圆管后面对称布置的一对三角形小翼以及相邻翅片，小翼冲角为45，弦展比为 0.75，不计厚度，没有小孔，流动为发展中的

10、层流 在 Re=1200 时就能达到没有 LVG 时、雷诺数为2000 的换热效果，在要求换热量一定时，泵功可以减少 80%，数值计算结果表明纵向涡的产生导致翅片效率提高超过 10% 4 1993 Zhu 等5 对被置于矩形通道中的四种不同的纵向涡发生器（三角形翼、矩形翼、一对三角形小翼、一对矩形小翼）对流动换热的影响进行了数值模拟，采用 k 湍流模型 计算结果表明， 与光通道相比， 整体换热提高了1619%， 同时流动压力损失提高了 45 倍。 纵向涡强化湍流换热是因为提高了壁面附近的湍流动能的量级，因而增强了壁面与近壁处流体的能量交换 5 1996 Biswas 等 一个三角形小翼用于两片

11、翅片组成的通道，冲角为 15-45，不计厚度，没有小孔，流动为充分发展的层流，Re 为 1580 证实了在三角形小翼后产生了一个主涡， 一个角涡和诱导涡 6 1998 Chen 等6 计算单元包括一个椭圆管，椭圆管两侧对称布置的一对、两对及三对（超过一对时，前后顺排） 三角形小翼以及相邻两翅片， 小翼冲角为 30，不计厚度，流动为发展中的层流，Re=300 前排的纵向涡对后排的纵向涡有强化作用； 对应有一排、两排、三排三角形小翼的情况，换热强化与阻力增加的比值分外别为 1.04、1.01 和 0.97，说明在前两种情况下，换热强化超过了阻力增加 1037 1999 Jahromi 等 计算单元

12、包括一个或两个圆管，圆管后面对称布置的一对三角形小翼以及相邻两翅片，小翼冲角为 45，不计厚度，没有小孔，流动为发展中的层流，Re=4001200； 在低雷诺数采用周期性边界条件来模拟有多排管子的翅片管换热器中的中间几何单元式合适的， 翅片的平均换热可以提高 20-50% 8 2000 Chen 等 计算单元包括一个椭圆管、椭圆管两侧对称布置的两对、三对及四对叉排布置的三角形小翼以及相邻的两翅片，小翼冲角为 30，不计厚度，有小孔，流动为发展中的层流，Re=300 对应有两排、四排叉排布置的三角形小翼的情况，换热强化与阻力增加的比值分别为 1.151 和1.097。 这两种情况下的换热强化超过

13、了阻力的增加。9 2001 Sohankar 和Davidson 一对矩形阻挡物置于两片翅片组成的通道，冲角为 1030，计厚度，没有小孔，流动为发展中的层流，Re=4001500 除矩形阻挡物的尺寸、 冲角对强化换热和流动阻力有影响外， 矩形阻挡物的厚度对强化换热和流动阻力也有影响 10 2002 Torri 等 三角形小翼设置在圆管侧前方而非侧后方，小翼的方位为背壁涡对，只在三排圆管的第一排圆管旁设置三角形小翼，没有小孔；圆管材料为丙烯酸、三角形小翼的材料为酚醛 与没有涡发生器的情况相比， 圆管叉排是换热强化 3010%，而压降减少 5534%，顺排比叉排的情况稍差些 11 2004 Le

14、u 等7 在圆管侧后方使用一对有一定厚度的矩形阻挡物作为纵向涡发生器，在紊流条件下对不同 Re数和不同冲角下的情况进行了比较计算 冲角为 45 时是该型式的纵向涡发生器的较佳工作条件 12 2005 王令， 陈秋炀等8 对带有周期性分布纵向涡发生器的水平矩形窄通道内的流动和换热进行了实验研究，得出了雷诺数在 300020000 的范围内的 LVGs 安装形式带有周期性分布 LVGs 通道的比光通道的高 25%-35%，f 也比光通道的略高；LVGs 能够破坏热边界层，带走更多的热量 13 2006 武俊梅等 用三维数值模拟的方法研究了纵向涡发生器用于管翅表面的流动换热特性，计算了不同雷诺数（8

15、002000）和不同三角形小翼型涡发生器冲角（30 与 45）下对管翅表面平均 Nu、压降的影响 用场协同理论解释了纵向涡强化管翅表面换热，纵向涡可以使得全场速度和温度梯度之间的平均夹角减小， 另外计算发现， 三角形小翼对顺排换热器的强化效果好于叉排换热器； 冲角为 45 的三角形小翼效果好于 30 的三角形小翼 14 2006 武俊梅等9 用三维数值模拟方法研究了 LVG 用于层流矩形通道的流动换热特性，研究了 Re（800-3000） 、涡发生器的冲角（15、30、45、60、90）下LVG 形状对通道平均 Nu 数和平均阻力系数的影响纵向涡可以强化整体换热,而横向涡只可以强化局部换热；光

16、通道的协同角随 Re 增大而增大，但对于有 LVG 的通道,协同角随着 Re 增大而减小； 在面积相同的条件下三角形小翼优于矩形小翼 15 2006 刘永等10 研究了单面加热矩形狭窄通道内，半三角翼片型涡发生器的强化换热效果及影响因素；应用大涡模拟的方法对通道内的瞬态流场及其对壁面对流换热的影响进行了研究 安装 LVG 后， 对流换热的 Nu 数较相同 Re 数下未安装的均有所提高， 安装涡发生器可以有效提高加热壁面处的换热系数， 从而强化了对流换热； 验证了大涡模拟的方法应用于纵向涡强化换热研究的可行性 16 2007 楚攀等11 对带纵向涡发生器的椭圆管翅片换热器和圆管翅片换热器的空气侧表面的换热和流动特性进行了三维数值模拟. 在模拟的流速范围内，与圆管翅片换热器相比，带纵向涡发生器的椭圆管翅片换热器的换热效果平均强化了 32.4%，其综合