三角小翼V形陣列換熱特性實驗研究

田麗亭 高永坤 王佳麗 閔春華 楊歷

（河北工業大學能源與環境工程學院 天津 300401）

三角小翼V形陣列換熱特性實驗研究

田麗亭 高永坤 王佳麗 閔春華 楊歷

（河北工業大學能源與環境工程學院 天津 300401）

在Re＝4800～10200范圍內，實驗研究了矩形通道內圓管側后方兩排三角小翼V形陣列布置的強化換熱特性，比較了三角小翼V形陣列布置和單排大三角小翼布置的換熱差異，研究了攻角、翼高和排列間距對換熱的影響。結果表明：三角小翼V形陣列的Nu數比單排大三角小翼平均增加4.9%，且隨著陣列中翼片前后排間距的增加，換熱呈增強趨勢。對于三角小翼V形陣列和單排大三角小翼，隨著小翼攻角的增加，通道換熱先增加后減小，最佳攻角均為α＝60°，隨著小翼翼高的增加，通道換熱單調增加。實驗數據擬合得到了V形三角小翼陣列和單排大三角小翼的Nu數無量綱關聯式，為管翅式換熱器中三角小翼的布置提供了依據和參考。

管翅式換熱器；強化傳熱；縱向渦；實驗研究

管翅式換熱器在工業生產和日常生活中廣泛應用，如汽車工業、空調制冷、石油化工、航空航天等諸多領域。通常管外側流過的工質為氣體，在換熱器總熱阻中氣體側熱阻占據70%～90%。在低耗、環保、能源高效利用的要求下，強化氣體側的換熱顯得更為重要。縱向渦強化傳熱技術是一種非常有效的無源強化傳熱技術［1］，其流動換熱性能得到許多學者的研究。Tian L T等［2］和Wu J M等［3］對三角小翼和矩形小翼產生的縱向渦對矩形通道流動換熱的影響進行了數值和實驗研究，表明三角小翼的綜合換熱性能優于矩形小翼，且小翼攻角越大，換熱性能越好。文獻［4－6］對矩形通道內其他形式的縱向渦發生器（梯形翼、斜截圓柱體、斜截橢圓柱體、八邊形翼等）的強化換熱特性進行了實驗研究。由于縱向渦擾動使換熱增強的同時伴隨的阻力增加較小的優點，縱向渦強化傳熱技術也越來越多應用于換熱器翅片上，O′Brien J E等［7］實驗研究發現，在換熱管側后方的平直翅片上布置三角小翼，在低雷諾數下，翅片換熱增強2倍，在高雷諾數下，換熱增加也接近50%。Torii K等［8］提出一種把三角小翼對稱側置于換熱管旁邊的布置方式，這種方式可有效推遲換熱管表面邊界層分離，并使換熱管尾流覆蓋面積減少。Joardar A等［9－10］對七排換熱管的平直翅片圓管換熱器進行了實驗和數值研究，三角小翼側置換熱管的布置方式使換熱器綜合換熱性能提高了32%。縱向渦發生器除應用于平直翅片圓管換熱器中，文獻［11－14］還研究了三角小翼在圓管波紋翅片、百葉窗翅片、扁平管波紋翅片以及螺旋板換熱器中的應用。上述文獻中縱向渦發生器都是強化了矩形通道內或管外翅片間通道的換熱，Habchi C等［15］和車翠翠等［16］對圓管內安置梯形翼渦發生器進行了數值研究和PIV實驗，結果表明翼片對流體的擾動大大促進了圓管內對流換熱的強化。

三角小翼縱向渦發生器布置在管翅式換熱器中時，常見的布置方式是放置于換熱管側后方。大部分研究都是對管后一對三角小翼的強化換熱效果展開研究，較少研究多排小翼的強化換熱性能。在自然界大雁呈隊列飛行的啟發下，本文主要對換熱管側后方布置的三角小翼陣列進行了實驗研究，對比了三角小翼V形陣列和單排大三角小翼的換熱差異，并研究了小翼攻角、翼高及排列間距對通道換熱的影響。

1 實驗裝置

本實驗裝置為開式吸風系統，如圖1所示。主要由入口段、整流柵、前后穩定段、實驗段、收縮段、流量測量段、離心式變頻風機等幾部分組成。入口段為漸縮喇叭形入口，金屬網格整流柵使流經的空氣得到梳理與均勻。實驗中空氣流量的調節使用變頻器控制風機的轉速來實現，流量測量由測量段上的渦街流量計測得。

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic sketch of the experimental setup

實驗段為一矩形通道，尺寸為800 mm×240 mm ×40 mm（長×寬×高），通道底面進行電加熱。電加熱系統主要由220 V交流電源、變壓器、加熱膜、電壓表及電流表組成。實驗過程中調節變壓器，改變加熱膜兩端電壓來實現通道加熱功率的調整。加熱膜是一張800 mm×240 mm（長×寬）的聚酰亞胺加熱膜，加熱膜內部導電發熱體是寬度為2 mm的金屬箔條，以間距2 mm蛇形盤旋排列，外部以聚酰亞胺薄膜為絕緣體。聚酰亞胺加熱膜厚度只有0.3 mm，熱容量小升溫迅速，加熱功率分布均勻。為了使實驗段通道底面獲得均勻的熱流，在加熱膜和通道底面間夾入了一塊厚度為2 mm的鋁板。加熱膜與鋁板、鋁板與通道底面間均涂有AS?608A型導熱硅脂以減小各層間接觸熱阻。為降低熱損失，整個實驗段最外側包裹橡塑保溫棉。

實驗段空氣的進出口溫度及通道底面壁溫均采用標定后的直徑0.2 mm的銅?康銅T型熱電偶測量。實驗段進出口截面分別均勻布置了6根和8根熱電偶。由于圓管和三角小翼在實驗段呈對稱布置，測量壁溫的熱電偶只布置在通道中心線的一側，通道底面外側共埋設了43根熱電偶。

實驗時圓管和三角小翼用耐熱膠垂直固定于通道底面上。圓管直徑為60 mm，圓心位于通道中心線上，距實驗段進口70 mm。與來流成一定攻角的三角小翼陣列，對稱布置于圓管下游側后方。本文研究的三角小翼陣列呈V形排列，陣列由兩排三角小翼組成，每個三角小翼的翼長l＝30 mm，翼高h分別取20 mm、15 mm、12 mm，小翼與來流方向的攻角α分別取15°、30°、45°、60°、75°，前后排小翼間距s分別取0 mm、2 mm、4 mm。為了比較兩排三角小翼V形陣列和單排三角小翼對通道換熱的影響，本文也進行了單排三角小翼的實驗，為了保證兩種情況下三角小翼的迎流面積相同，單排三角小翼的翼長取為2l＝60 mm，其他參數與三角小翼陣列一致。實驗中小翼和圓管的相對位置如圖2所示。

圖2 小翼和圓管的相對位置Fig.2 Relative position between winglets and tube

2 數據處理與誤差分析

2.1 數據處理

雷諾數：

式中：uin為通道內空氣進口速度，m／s；de為通道進口的當量直徑，m；ν為空氣的運動粘度，m2／s。

實驗中，加熱膜的加熱功率由加熱系統的電流和電壓計算：

通道內空氣換熱量：

式中：cp為空氣的定壓比熱容，J／（kg·K）；qm為通道內空氣的質量流量，kg／s；Tf，in和Tf，out分別為空氣的進出口平均溫度，K。

理論上空氣換熱量Q2應等于通道底面電加熱功率Q1，但是由于散熱損失和測量誤差等多種實驗條件的影響，二者并不相等。因此，取兩者的平均值Q作為計算換熱量：

熱平衡偏差：

通道底面的熱流密度：

通道底面的平均換熱系數：

其中，對數平均溫差：

平均努塞爾數：

式（6）～式（9）中：A為通道底面加熱面積，m2；Tw為通道壁面的平均溫度，K；λ為空氣的導熱系數，W／（m·K）。

2.2 誤差分析

實驗中，通道內空氣的體積流量由精度等級為1.0的渦街流量計測得，銅?康銅熱電偶的測溫誤差為±0.2℃，加熱膜的加熱功率由精度等級為0.25的電壓表和電流表測得，所有實驗工況的熱平衡偏差要求在±5%以內。實驗中存在的系統誤差與測量誤差會影響實驗結果的準確性，本文采用二次冪法對實驗結果進行不確定度分析。本實驗參數范圍內，雷諾數、換熱系數和努塞爾數的不確定度分別為3%、10%、11%。

3 實驗結果分析

3.1 實驗系統校核

在進行三角小翼V形陣列換熱實驗之前，首先對光通道和不帶三角小翼的圓管通道進行了換熱實驗，其平均Nu數隨Re數的變化關系如圖3所示。為了對實驗系統進行校核，引入光通道平均Nu數的經驗關聯式：Dittus?Boelter式和Gnielinski式［17］。

圖3 光通道和圓管通道的實驗結果Fig.3 Experimental results of the smooth channel and the channel with tube

從圖3中可以得出：光通道平均Nu數的實驗結果與Dittus?Boelter式吻合較好，最大偏差3.6%，平均偏差1.9%，與Gnielinski式相比，實驗Nu數偏大，最大偏差16.4%，平均偏差10.5%。通過比較可知，光通道的實驗結果與經驗關聯式的吻合情況總體良好，能夠滿足工程要求，從而驗證了實驗系統的可靠性和測量的準確性。在實驗的Re數范圍內，光通道和圓管通道相比，圓管通道的平均Nu數比光通道增加了15.9%～19.5%。

3.2 三角小翼V形陣列對換熱的影響

圖4是三角小翼翼高h＝15 mm，攻角α＝60°時，單排大三角小翼及三角小翼V形陣列布置通道平均Nu數隨Re數的變化規律。圖中以圓管通道平均Nu數為比較基準，圓管通道無三角小翼布置。從圖中可以看出，三角小翼的添加明顯增強了通道內的換熱。流體掠過三角小翼產生的縱向渦加劇了下游流體的摻混，同時使得更多主流流體進入到圓管下游的尾流區，壓縮了換熱惡化的尾流區范圍。在實驗的Re數范圍內，和圓管通道相比，單排大三角小翼布置使通道內的換熱平均增大16.7%～20.8%。在相同的Re數下，三角小翼V形陣列的平均Nu數都要高于單排大三角小翼，平均增加約4.9%。這是由于三角小翼陣列由兩排小翼前后呈“V”形組成，兩排小翼產生的渦旋相互疊加合成一個大的縱向渦，此縱向渦形成的二次流速度與單排大三角小翼形成的二次流相當，但流體流經前后排小翼間隙時會形成一小股橫向沖刷，該小股橫向流可改善前排小翼背壁面處的局部流動死區，排擠更多主流流體沖入圓管尾流區，同時該股橫向流壓迫縱向渦的渦心更貼近下壁面，加劇了主流低溫流體和近壁面高溫流體的混合，使通道底面的流動邊界層和熱邊界層進一步減薄，從而使通道換熱得到提升。對于三角小翼V形陣列來說，不同布置間距的換熱效果相差不大，隨著間距的增加，通道平均Nu數有增加的趨勢。間距s＝4 mm的通道平均Nu數比間距s＝0 mm大約高1.5%。

3.3 攻角對換熱的影響

圖5是三角小翼翼高h＝20 mm時，小翼不同攻角布置時對通道換熱的影響。從圖中看出，對于單排大三角小翼和三角小翼V形陣列，通道平均Nu數均隨著攻角α的增加而增加，當α＝60°時通道平均Nu數最大，傳熱性能最好。而當攻角大于60°后，通道換熱反而有所減弱，α＝75°的通道平均Nu數低于60°，與45°相差不多。隨著攻角的增加，三角小翼下游產生的縱向渦強度增加，渦旋變強，渦旋波及到的通道高溫底面范圍加大，同時渦旋也吸卷更多流體進入圓管尾流區域，減小了尾流區影響，加強了換熱。但當攻角逐漸增大時，三角小翼下游產生的渦旋結構中橫向渦的比重增加，縱向渦旋強度隨之減弱，同時，隨著主流向下游發展過程中，橫向渦比縱向渦衰減較快，橫向渦涉及到的強化換熱的范圍要小于縱向渦，這是換熱性能隨著攻角增加先上升后降低的原因?？v向渦的發生和發展與發生器的攻角有很大的關系，存在一個縱向渦強度的最佳攻角范圍，實驗表明對于通道換熱來說，無論是單排大三角小翼，還是三角小翼V形陣列布置，最佳攻角均為α＝60°。

圖4 三角小翼V形陣列對Nu數的影響Fig.4 Effect of the V?shaped array of delta winglets on Nu

3.4 翼高對換熱的影響

圖6是三角小翼攻角α＝60°時，小翼翼高對通道換熱的影響。從圖中看出，對于單排大三角小翼和三角小翼陣列布置，通道的平均Nu數均隨著翼片高度的增加而增加。在三角小翼長度和攻角相同情況下，翼高越大，小翼對來流的阻擋越大，小翼前后的壓差隨著增大，下游產生的縱向渦強度越大，流動擾動越強，同時擾流的影響范圍也就越大，更好的破壞邊界層的發展，使得換熱性能增加。

3.5 平均努塞爾數關聯式

根據單排大三角小翼共42組實驗點、三角小翼陣列共126組實驗點，歸納實驗結果，通過多元線性回歸得到了單排大三角小翼和三角小翼陣列的傳熱特性準則關聯式：

單排大三角小翼：

V形三角小翼陣列：

圖7為三角小翼通道的Nu數實驗結果與擬合關聯式結果的對比情況。由圖可知，Nu數的擬合關聯式和實驗結果吻合良好。對于單排大三角小翼和

三角小翼陣列的Nu數關聯式，經統計分析可知，分別有97.6%和95.2%的關聯式結果分布在實驗結果±5%的范圍以內。

圖5 攻角對Nu數的影響Fig.5 Effect of attack angle on Nu

圖6 翼高對Nu數的影響Fig.6 Effect of winglet height on Nu

4 結論

在Re＝4800～10200范圍內，對圓管側后方三角小翼V形陣列及單排大三角小翼布置的強化換熱特性進行了對比實驗，并研究了小翼布置參數（攻角、翼高及排列間距）對通道換熱的影響。主要結論如下：

1）相同的迎流面積下，三角小翼V形陣列布置的通道換熱要優于單排大三角小翼布置，增加約4.9%左右。同時，三角小翼V形陣列布置時，隨著前后排間距的增加，通道換熱有增加的趨勢。

2）單排大三角小翼和三角小翼V形陣列布置中，通道的換熱均隨著翼片攻角的增加先增加后減小，當翼片攻角α＝60°時，通道換熱最強。

3）單排大三角小翼和三角小翼V形陣列布置中，翼高越大，流動擾動越強，通道換熱性能越好。

圖7 Nu數擬合結果與實驗結果的對比Fig.7 Comparison of experiment data and correlations for Nu

4）通過擬合實驗數據，得到了包含翼高、攻角和翼間距在內的單排大三角小翼和V形三角小翼陣列的傳熱特性準則關聯式，并對其準確性進行了檢驗。

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田麗亭，女，博士，河北工業大學能源與環境工程學院，（022）60435795，E?mail：lttian＠hebut.edu.cn。研究方向：強化傳熱與節能技術。

About the author

Tian Liting，female，Ph.D.，School of Energy and Environmental Engineering，Hebei University of Technology，＋86 22?60435795，E?mail：lttian＠hebut.edu.cn.Research fields：heat transfer en?hancement and energy saving technology.

Experimental Study on Heat Transfer Characteristics of the Delta Winglets with V?shaped Array

Tian Liting Gao Yongkun Wang Jiali Min Chunhua Yang Li

（School of Energy and Environmental Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin，300401，China）

Water In the range of Re＝4800～10200，the experiment was made to investigate the heat transfer characteristics of two rows of the delta winglets arrayed in V shape at the back side of the round tube in the rectangular channel.The heat transfer enhancement was com?pared between the delta winglets with V?shaped array and the single?row large delta winglets，and the effects of attack angle of delta wing?let，winglet height and spacing of winglet array were examined.Results show that Nu of the delta winglets with V?shaped array is 4.9% higher than that of the single?row large delta winglets，and the heat transfer in the channel has an increasing trend with the increase of the spacing in winglet array.For the delta winglets with V?shaped array and the single?row large delta winglets，with increasing the attack an?gle of the delta winglet，the heat transfer enhancement increases firstly and then decreases，and the optimal attack angle is α＝60°，while，the heat transfer enhancement in both layouts monotonically increases with the increase of the winglet height.The correlations of Nu for the delta winglets with V?shaped array and the single?row large delta winglets are respectively derived by the regression analysis of ex?perimental data.These correlations can be referred for the arrangement of the delta winglets in the fin?and?tube heat exchanger.

fin?and?tube heat exchanger；heat transfer enhancement；longitudinal vortex；experimental study

TK124

A

0253－4339（2015）04－0029－07

10.3969／j.issn.0253－4339.2015.04.029

國家自然科學基金（51106041）資助項目。（The project was supported by the National Natural Science Foundation of China（No. 51106041）.）

2014年11月23日