鈍體形狀對無限寬平板內(nèi)流換熱的影響

徐鵬，蔡林

1海軍駐大連船舶重工集團(tuán)有限公司軍事代表室，遼寧大連116005 2中國艦船研究設(shè)計中心，湖北武漢 430064

鈍體形狀對無限寬平板內(nèi)流換熱的影響

徐鵬1，蔡林2

1海軍駐大連船舶重工集團(tuán)有限公司軍事代表室，遼寧大連116005 2中國艦船研究設(shè)計中心，湖北武漢 430064

利用計算流體力學(xué)（CFD）方法研究二維無限寬平板層流流動時鈍體形狀對平板強(qiáng)化換熱的影響。建立并求解描述流場對流換熱的二維Navier－Stokes方程組及能量方程，時間項采用二階隱式離散格式。計算圓柱形、方柱形、三角形和折角形這4種典型結(jié)構(gòu)對平板對流換熱強(qiáng)化性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明:采用三角形鈍體結(jié)構(gòu)時，平板的平均努塞爾數(shù)最大，流道內(nèi)阻力系數(shù)也最大;流體繞過鈍體后產(chǎn)生的大尺度渦脫落以及平板表面產(chǎn)生的二次渦是影響鈍體強(qiáng)化平板對流換熱的重要因素。

強(qiáng)化換熱；鈍體繞流；渦脫落；計算流體力學(xué)

0 引言

關(guān)于流體與平板在有限高度層流流動對流換熱的研究有著重要的工程應(yīng)用背景，例如，板式換熱器中兩個平板與流體的換熱、翅片換熱器中翅片與流體的換熱，或者發(fā)熱平面與流體的對流換熱加熱或冷卻等。為了強(qiáng)化流體與平板之間的對流換熱，工程上常用的方法有：增加平板粗糙度，或改用波紋形板、三角形折板等代替發(fā)熱平板等。另在流場中加入鈍體，使流體產(chǎn)生擾動也是一種有效的無源強(qiáng)化換熱技術(shù)（Passive Techniques of Heat Transfer Enhancement），許多學(xué)者進(jìn)行了這方面的研究。Valencia［1］研究了方柱對流體與通道壁面換熱系數(shù)的影響，結(jié)果表明隨著阻塞比和雷諾數(shù)的增加，方柱對換熱的強(qiáng)化能力增強(qiáng)。Nakagawa等［2］對不同高寬比下矩形柱對平面內(nèi)流換熱的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果表明高寬比對平面換熱系數(shù)的影響不可忽略。Tsutsui等［3］研究了前置小圓柱對橫掠圓管對流換熱的影響，當(dāng)雷諾數(shù)Re=6.2×104時，前置小圓柱將局部努塞爾數(shù)Nu提高了40%。Yoon等［4］分析了二維有限高度內(nèi)正方形鈍體角度對強(qiáng)化換熱性能的影響，并分析了不同鈍體角度下鈍體阻力系數(shù)、渦脫落頻率的變化規(guī)律。

鈍體強(qiáng)化有限高度平板間層流流動對流換熱的機(jī)理［5］可以歸結(jié)為：流體經(jīng)過鈍體后發(fā)生邊界層分離，然后進(jìn)一步發(fā)展成渦街，當(dāng)大尺度的渦街與換熱壁面相互作用后，會增強(qiáng)熱邊界層內(nèi)冷、熱流體的摻混，從而達(dá)到強(qiáng)化換熱的目的，而此時用于強(qiáng)化換熱而設(shè)置的鈍體便被稱作渦流發(fā)生器（Vortex Generator）。如果從場協(xié)同的理論出發(fā)，則強(qiáng)化機(jī)理可以歸結(jié)為：帶有渦街的流場增加了流體速度場與溫度梯度的協(xié)同性［6-10］，在一定的速度及溫度梯度下，減少兩者間的夾角是強(qiáng)化傳熱的有效措施。以往學(xué)者對層流鈍體繞流的試驗和理論研究成果均表明，不同的鈍體形狀在相同的雷諾數(shù)下，渦脫落頻率與分布均不同，因此鈍體形狀對有限高度平板對流換熱的強(qiáng)化亦有所不同。本文將從平板內(nèi)流對流換熱二維單元出發(fā)，研究不同鈍體形狀對強(qiáng)化平板對流換熱的影響。

1 計算模型與邊界條件

1.1 計算模型與基本方程

定義下平板局部努塞爾數(shù)：

平板平均努塞爾數(shù)：

流動平均阻力系數(shù)：

式中：Δp為流道進(jìn)、出口壓差；L為流道長度；H為流道高度；ρ為流體密度；U0為進(jìn)口速度。

圖1 計算域結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Computational domain of flow past square cylinder

對時間項采用二階隱式格式，連續(xù)方程、能量方程采用QUICK格式，動量方程采用PRESTO！格式。

1.2 網(wǎng)格劃分與數(shù)值驗證

圖2 計算域流場網(wǎng)格劃分（鈍體為方柱）Fig.2 Grid of computational domain（square cylinder）

2 計算結(jié)果分析

表1 不同鈍體形狀平均努塞爾數(shù)及阻力系數(shù)計算結(jié)果Tab.1 The calculation results ofand f for different cylinder types

表1 不同鈍體形狀平均努塞爾數(shù)及阻力系數(shù)計算結(jié)果Tab.1 The calculation results ofand f for different cylinder types

形狀圓柱方柱折角三角----Nu 7.864 8.264 8.466 8.515 f 0.212 0.206 0.268 0.325

圖3給出了不同鈍體形狀下平板表面的Nu分布。當(dāng)流體繞過鈍體后，會在鈍體表面發(fā)生邊界層分離并造成尾渦擴(kuò)散，不同的鈍體形狀所產(chǎn)生的渦脫落分布不同，因此對平板附近流場所造成的擾動也不同，從而導(dǎo)致平板表面的Nu分布不同。由圖3可看出，三角形鈍體和折角鈍體情況的 Nu 波動最大，波動幅度為 3.9～11.0。圖 4 給出了距離平板0.2H處水平脈動速度時均值的分布情況。從中可以看出，在近鈍體末端處（x=0 m附近）出現(xiàn)了水平脈動速度（URSM）峰值，其中三角形鈍體結(jié)構(gòu)的水平脈動最大值要高于其他結(jié)構(gòu)。另外，折角結(jié)構(gòu)的最大峰值位置相對于其他結(jié)構(gòu)略靠后分布，并且數(shù)值低于三角形等其他結(jié)構(gòu)。這是因為與三角形結(jié)構(gòu)相比，折角結(jié)構(gòu)尾部有空白區(qū)域，流體在折角鈍體的兩個折角邊發(fā)生了分離，在折角邊形成的空白區(qū)域內(nèi)發(fā)生了尾渦的干擾和耗散（圖5），并進(jìn)行了速度合成，因此折角結(jié)構(gòu)的水平脈動速度要略低于其他結(jié)構(gòu)。圖6給出了豎直方向脈動速度時均值VRSM的分布。對于三角形和折角結(jié)構(gòu)，VRSM沿流動方向出現(xiàn)一個最大值后又出現(xiàn)了多個極值點(diǎn)，而對于方柱形結(jié)構(gòu)，在方柱末端附近出現(xiàn)了多個極值點(diǎn)。隨著流動的發(fā)展，VRSM逐漸變小。

圖3 換熱平板局部努塞爾數(shù)分布Fig.3 The Nuxdistribution along flow direction of heat exchange plate

圖4 水平脈動速度分布（距平板0.2H）Fig.4 The URSMdistribution along flow direction（y=0.2H）

圖5 三角形和折角結(jié)構(gòu)瞬時速度分布對比圖Fig.5 Velocity distribution of triangulars cylinder and rectangular angle

圖6 豎直脈動速度分布（距平板高0.2H）Fig.6 The VRSMdistribution along flow direction（y=0.2H）

當(dāng)流體繞過鈍體后，除了由于鈍體壁面邊界層分離造成的渦脫落外，還存在平板表面邊界層的二次渦脫落，該二次渦是導(dǎo)致近壁面處豎直方向速度脈動的直接原因。圖7給出了不同鈍體結(jié)構(gòu)下的瞬時速度分布，從中可以看出，三角形鈍體的二次渦脫落最明顯，而豎直方向的速度脈動是影響流動熱邊界層熱量交換的重要因素。綜上所述，在流場中放置不同形狀的鈍體后，使得平板近壁面所產(chǎn)生的二次渦分布不同，這是造成平板換熱性能差異的重要原因。

圖7 不同鈍體形狀下流場內(nèi)瞬時速度分布Fig.7 Velocity distribution of different cylinder types

3 結(jié) 語

本文利用計算流體力學(xué)方法研究了二維無限寬平板層流流動中，鈍體形狀對平板對流換熱性能的影響。分別考慮了圓柱形、方柱形、三角形和折角形4種典型結(jié)構(gòu)，分析了不同鈍體結(jié)構(gòu)下平板局部努塞爾數(shù)、平均努塞爾數(shù)、流場阻力系數(shù)，以及近壁面附近水平、豎直脈動速度分布的情況，結(jié)果表明，三角形結(jié)構(gòu)對平板對流換熱的強(qiáng)化能力最強(qiáng)，流道內(nèi)阻力系數(shù)最大。流體繞過鈍體后產(chǎn)生的大尺度渦脫落和平板表面產(chǎn)生的二次渦是影響鈍體強(qiáng)化平板對流換熱的重要因素。本文的研究可以為換熱設(shè)備中渦流發(fā)生器的形狀設(shè)計提供理論基礎(chǔ)。

［1］VALENCIA A.Heat transfer enhancement in a channel with a built-in square cylinder［J］.International Communications in Heat and Mass Transfer，1995，22（1）：47-58.

［2］NAKAGAWA S，SENDA M，HIRAIDE A，et al.Heat transfer characteristics in a channel flow with a rectangular cylinder［J］.JSME International Journal，Ser.B，F(xiàn)luids and Thermal Engineering，1999， 42（2）：188-196.

［3］TSUTSUI T，IGARASHI T.Heat transfer enhancement of a circular cylinder［J］.Journal of Heat Transfer，2006，128（3）：226-233.

［4］YOON D H，YANG K S，CHOI C B.Heat transfer enhancement in channel flow using an inclined square cylinder［J］.Journal of Heat Transfer，2009，131（7）：1-4.

［5］陶文銓.傳熱學(xué)［M］.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2006.

［6］GUO Z Y，LI D Y，WANG B X.A novel concept for convective heat transfer enhancement［J］.International Journal of Heat Mass Transfer， 1998， 41（14）：2221-2225.

［7］過增元.對流換熱的物理機(jī)制及控制：速度場與傳熱場的協(xié)同［J］.科學(xué)通報，2000，45（19）：2118-2122.

［8］楊志超，楊臧健，鐘英杰.場協(xié)同理論及其在脈動流傳熱技術(shù)中的應(yīng)用前景［J］.機(jī)電工程，2013，30（4）：435-438.

YANG Zhichao，YANG Zangjian，ZHONG Yingjie.Field synergy principle and its application prospect in pulsating heat convection［J］.Journal of Mechanical&Electrical Engineering，2013，30（4）：435-438.

［9］周國兵，楊來順.渦流發(fā)生器對直接空冷凝汽器換熱的影響［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，2012，32（5）：1-8.

ZHOU Guobing，YANG Laishun.Influence of differentvortex generators on heattransferin direct air-cooled condensers［J］.Proceeding of the CSEE，2012，32（5）：1-8.

［10］于恩播，孫鐵，張素香.縱向渦發(fā)生器對圓形翅片管換熱強(qiáng)化的影響［J］.石油化工高等學(xué)校學(xué)報，2012 ，25（6）：67-70.

YU Enbo，SUN Tie，ZHANG Suxiang.The effect of circular finned tube heat transfer enhancement by using longitudinal vortex generators［J］.Journal of Petrochemical Universities，2012，25（6）：67-70.

Effects of Vortex Generator Type on Heat Transfer Enhancement in Infinite Size Channel Flow

XU Peng1，CAI Lin2

1 Naval Military Representative Office in Dalian Shipbuilding Industry Co.L td.Dalian 116005，China 2 China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

The inclined vortex generator type effects on the heat transfer enhancement in channel flow is numerically investigated in this paper.The 2D unsteadyNavier－Stokesand energy equations are solved，where the two-order implicit scheme is taken to be the temporal scheme，and the structures of square cylinders，circular cylinders，triangular cylinders，and triangular angle types are investigated.The results show that both the average Nusselt number and the friction coefficient reach maximum when the triangular cylinder is used.It is also concluded that the large scale vortex shed from the cylinder and secondary vortexes generated on the channel walls are key factors that enhance the heat transfer on walls.

heat transfer enhancement；flow through cylinder；vortex shedding；Computational Fluid Dynamics（CFD）

10.3969/j.issn.1673-3185.2014.02.013

http://www.cnki.net/kcms/doi/10.3969/j.issn.1673-3185.2014.02.013.html

TK124

A

1673－3185（2014）02－74－04

期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com

2013－10－21 網(wǎng)絡(luò)出版時間：2014-3-31 16:33

國家部委基金資助項目

徐鵬（1980－），男，工程師。研究方向：輪機(jī)工程。Email：mayue＠hotmail.com

蔡林（1985－），男，博士，工程師。研究方向：艦船動力裝置。Email：cailin03313＠163.com

蔡林

［責(zé)任編輯：盧圣芳］