二次流强化换热的机理及评价参数的研究

针对换热设备中强化换热技术常常导致流阻比传热增加更为显著、泵功消耗大大增强的问题，寻求高效低阻的强化换热技术，使换热增强的同时阻力增加较小非常重要和迫切。纵向涡换热增强比远大于流阻增加比，是一种非常有应用前景的强化换热技术。本项目就是以纵向涡强化换热为研究背景，采用理论分析、实验研究和数值模拟相结合的方法，探讨边界层外层大尺度涡和边界层底层小尺度涡之间的作用关系，揭示二次流强化换热的物理机理。研究纵向涡、横向涡、马蹄涡等不同特征涡间的交叉影响，通过不同形式二次流流动换热特性的比较，提出从三维方向综合考虑的衡量二次流强度的综合评价参数，并得出此参数与流动换热的对应关系，并利用该参数指导纵向涡发生器的结构优化。本研究对纵向涡强化换热技术的机理认识和在换热器中的应用，有重要的学术价值和实用意义。

本课题在国家自然科学基金青年基金项目支持下，利用数值模拟和实验方法研究了不同形式涡发生器产生的二次流，提出一个二次流的评价参数——涡量强度，对应用于换热器中的纵向涡强化翅片进行了结构优化。结果表明：八边形翼和组合翼使掠过流体下压，产生的涡旋强度增大，同时涡旋核心更贴近换热壁面，近壁处扰动加剧。和矩形翼相比，这两种新型涡发生器具有较好的传热特性和较低的阻力损失。圆柱和三角小翼下游各自主要形成横向涡和纵向涡，分别主要增强了法向涡强度和流向涡强度，但涡旋引起展向涡强度的增幅很小，且两展向涡强度几乎相同。不仅流向涡影响对流换热，另两个方向的涡分量特别是法向涡也同样影响换热效果。涡量强度充分考虑了涡发生器产生的涡旋的强烈三维性，此参数更能表征二次流导致的流体掺杂和强化换热程度。与只考虑了流向涡的绝对涡通量相比，涡量强度的变化规律与Nu数比较一致，更能反映流动与换热之间的关系。对实验数据拟合得到了包含翼高、攻角和翼间距在内的V形三角小翼阵列的传热特性准则关联式。矩形小翼非对称布置的Nu数稍低于对称布置，但阻力系数f明显低于对称布置，非对称布置减阻效果十分明显。非对称布置的综合换热性能远高于对称布置，可认为是一种高效低阻的结构形式。在波纹翅片上加设组合翼能显著增强换热，组合翼应布置在波纹翅片的背风区，此时Nu较大，f较小。增加组合翼的辅翼攻角、长度和宽度均能增强换热和增加流阻。迎流面冲孔时，每个三角小翼下游均形成一个纵向主涡。背流面冲孔时，每个三角小翼下游形成旋转方向相反的两个涡旋，但强度减弱。迎流面冲孔的三角小翼翅片的综合换热性能优于背流面冲孔。若采用冲压方式加工三角小翼，应尽量在三角小翼迎流面处冲孔。