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涡流发生器强化换热流动及换热研究

孙小姣  
【摘要】:将涡流发生器布置在换热管道内表面来进行对流换热,是目前被广泛应用的被动强化对流方式之一。当流体通过加装涡流发生器(Vortex Generator,VG)的换热管道时会产生涡结构,导致流体边界层被破坏,从而达到强化换热的效果。本文采用Fluent大涡模拟(Large eddy simulation,LES)为主,粒子图像测速(Particle image velocimetry,PIV)实验为辅的方法,首先验证了利用大涡模拟方法得到湍流流动中涡流发生器后方细微的涡结构和流动图像的可行性,然后通过在矩形通道内布置不同攻角的弧形和梯形涡流发生器,研究了其对流场和换热的影响以及流动与换热之间的相互作用机制。具体内容如下:(1)涡流发生器对流动的影响:通过研究涡结构的分布、涡强度及流场中的速度、湍动能、湍流耗散率来可视化涡流发生器引起的流场变化。结果表明,涡流发生器后方存在四种涡结构,四类涡旋结构在空间上所占位置有所不同,不同的涡结构对强化换热具有不同的贡献;初级反旋涡对换热效果的强化作用优于次级反旋涡对,发卡涡能够更好的维持反旋涡对的存在,从而提高换热效果。(2)涡流发生器对流场换热的影响:分别研究了不同的雷诺数和攻角对涡流发生器的强化换热的影响,记录了强化换热效果(努塞尔数的提高)以及流动阻力,并分别利用无量纲数f/f_0,Nu/Nu_0和PEC数描述了涡流发生器的流阻特性、强化换热性能和综合换热性能。同时拟合出了努塞尔数和阻力系数针对涡流发生器结构参数和流动参数的相关表达式。结果表明,涡流发生器强化换热的效果随攻角和雷诺数的增加而增加;攻角为45°的梯形涡流发生器在所有工况中显示出了最好的换热效果和综合性能,PEC可以达到1.65-1.43;攻角相同的情况下,矩形通道内加装梯形涡流发生器时的换热效果优于加装弧形涡流发生器时的换热效果。(3)涡流发生器强化换热的流动对换热的影响机制:对涡结构及努塞尔数的分布进行了比较,对二次流强度对换热效果的影响和场协同理论进行了分析来揭示涡流发生器的流动及换热之间的相互作用机制。结果表明,涡结构与法向温度梯度分布具有非常好的一致性,说明发卡涡对热量在法向方向的传递作用较大;二次流强度越大,越有利于强化传热,同时矩形通道内阻力系数也增大;通过对矩形通道涡流发生器后方截面局部场协同角θ和努塞尔数Nu的分析与比较,发现场协同角较小区域的努塞尔数较大;涡流发生器诱导产生的涡结构能够提高速度场和温度梯度场的协同性,最终影响换热效果。本论文有图35幅,表8个,参考文献65篇。


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