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斜截半椭圆柱面强化传热和流阻特性数值模拟

高猛  
【摘要】:涡流发生器是一种被动强化传热元件,可用于气-液或气-汽换热器空气侧对流换热的强化,同时也可有效改善空气侧流动结构。本文在已有实验研究基础上,采用数值模拟方法分析新型斜截半椭圆柱面涡流发生器的强化传热和流阻特性,为工程应用提供有益参考。 对分别布置有单排一对斜截半椭圆柱面、斜截半椭圆柱体、斜截半圆柱面、矩形小翼、梯形小翼、三角形小翼等6种涡流发生器的矩形通道内的空气流动及强化对流换热特性进行对比性数值模拟。并进一步分析斜截半椭圆柱面斜截角α、攻角β、后缘高度h、前缘间距s、距入口间距S、布置方式等参数对其在矩形通道内强化传热和流阻特性的影响。数值模型以已有实验为参考,数值方法及结果进行实验和网格无关性验证,以保证模拟方法及结果的可靠性。 在强化传热效果方面,6种涡流发生器差距在10%以内,层流状态下斜截半椭圆柱体和矩形小翼较好,湍流状态下矩形小翼较好,两种状态下斜截半圆柱面最差,斜截半椭圆柱面强化传热效果略优于斜截半圆柱面。在流阻特性方面,斜截半椭圆柱面在较高Re数的层流流动以及湍流流动工况下流动损失明显低于其它5种涡流发生器,湍流工况下流动损失最多可比矩形小翼降低22.45%。在综合特性(j/jo)/(f/fo)方面,斜截半椭圆柱面在层流状态下与三角形小翼相当,比其它涡流发生器略高;而在湍流状态下是最好的,最多可比矩形小翼提高21.88%。综上可知,斜截半椭圆柱面在流阻和综合特性方面具有显著的优越性。层流工况下斜截半椭圆柱面参数对其综合特性无明显影响;而湍流工况下a=20°、β=15°、h=5 mm、S=100 mm、s=30 mm、渐扩式布置(前缘低后缘高、凹面相对)的斜截半椭圆柱面的综合特性最好。 在空调用空冷器中模拟斜截半椭圆柱面强化传热和流阻特性,考虑到空调空冷器气侧工况通常为层流,模拟工况设定为层流流动,并与三角形小翼作比较。结果表明,2种涡流发生器强化传热效果几乎相同;斜截半椭圆柱面流阻低于三角形小翼,在较高Re数下, 2种涡流发生器对叉排管空冷器均具有减阻效果,斜截半椭圆柱面最多可减阻6.40%,三角形小翼最多可减阻4.39%;除顺排空冷器内少数低Re数工况下,斜截半椭圆柱面综合特性均优于三角形小翼;较高Re数下2种涡流发生器均可使空冷器综合特性显著提高,建议布置涡流发生器的空冷器在较高Re数下运行。


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