圓柱形擾流元件強化傳熱的研究進展

包雅媛，陶俊龍，謝緯安，喜冠南

（南通職業大學機械工程學院，江蘇 南通 226007）

1 概述

1.1 背景

強化傳熱是20世紀60年代發展起來的一種改善傳熱性能的技術，目的是促進和適應高熱流量傳熱，采用經濟的設備傳輸特定的熱流量，或者采用最有效的冷卻方式保護高溫部件的安全運行[1]。目前，工程中常用增大流體間的擾流來強化傳熱。插入圓柱形擾流元件是其典型應用，也是工業上較為常用的強化傳熱方法，它安裝簡單，易于更換，能增加傳熱速率，使溫度分布均勻，提高原有換熱性能，并廣泛地應用于工業生產的各個領域，比如在航空航天技術、大功率電子設備、熱能動力及化工、冶金等工業部門。因此，對插入圓柱形擾流元件強化傳熱問題的研究在工程實際中具有很重要的意義。

在強化傳熱元件的使用過程中，雖然獲得了較高的傳熱效率，但也增加了流體流動阻力，如何綜合考慮傳熱和阻力損失的強化傳熱性能評價指標，在增加最小的壓力下得到最大的傳熱效果，是一個值得深入研究的問題。目前，雖然已有了一定的研究成果，但對圓柱形擾流元件強化傳熱機理的研究尚不明確，因此，研究其強化傳熱問題具有很重要的理論與現實意義。

1.2 圓柱形擾流元件強化傳熱理論分析

根據傳熱方程式[2]，單位時間內傳熱量φ=AKΔT，可見，強化傳熱的途徑有以下三種方式：增大傳熱面積（A），提高傳熱系數（K），提高平均溫差ΔT。

圓柱形擾流元件強化傳熱是典型的強化傳熱方法，通過提高傳熱系數增加傳熱量，它除了輸送傳熱介質的功率消耗外，幾乎不再需要附加動力，就能達到強化傳熱的作用。

2 強化傳熱技術進展

插入擾流元件強化傳熱問題在理論和工程中具有重大的意義，國內外許多學者圍繞圓柱形擾流元件強化傳熱問題展開了研究。大多數研究的是關于圓柱為擾流元件與其他擾流元件傳熱效果間的對比和分析影響圓柱形擾流元件傳熱效果的因素，研究的方法主要包括實驗模型和數值模擬等。

2.1 數值模擬

隨著傳熱學理論的完善和計算機設備的不斷更新，計算機數值模擬技術得到了快速發展，擾流元件強化傳熱問題在數值模擬方面也取得了一定成就。

2.1.1 單圓柱強化傳熱問題

目前，圓柱作為傳統的擾流元件，經常應用于工程中，同時也成為了人們的研究對象。俞接成等[3]運用通用軟件Fluent層流模型和動態網格技術，對空氣低速繞流振動圓柱的對流換熱進行了研究，數值計算表明，在其計算范圍內，圓柱振動可使換熱強化，最大可強化9倍，換熱的強化效果隨振幅和頻率的增大而增大，且在相同振動條件下，雷諾數越低，振動對換熱的強化效果越好。經分析表明，圓柱振動強化換熱的原因在于速度場和溫度梯度場之間的協同程度得到了改善，從而使換熱得到強化。

宿艷彩和葛培琪[4]也運用Fluent軟件的動網格技術和UDF編程方法分別對來流速度和圓柱振動方向對圓柱對流換熱的影響做了分析，來流速度遠低于圓柱最大振動速度時，振動強化換熱效果明顯；隨著來流速度的增大，振動強化換熱效果降低，當流速為圓柱最大振動速度的4倍時，圓柱傳熱效果僅增強1.2%；圓柱的振動方向對強化換熱的影響不顯著，在其研究范圍內，因圓柱振動方向導致其換熱性能的變化量在6%以內。

此外，馬小晶等[5]雖也采用數值模擬方法進行研究，但將圓柱形擾流元件與其他擾流元件進行對比，當空氣在管內流動換熱時，對其插入的不同結構擾流元件時的速度場和溫度場進行分析，研究不同尺寸和形狀擾流元件對換熱和流阻的影響。研究結果表明，圓管內沿軸線插入擾流元件的平均換熱系數大于光滑圓管；對于插入圓柱形擾流元件，其直徑越大，對流換熱效果越好；對于不同形狀的擾流元件進行對比研究可看出，球形鏈式擾流元件增強換熱效果的能力最強，略大于橢球形鏈式，其次是圓柱式，而橢球式擾流元件增強換熱效果的能力最弱。

2.1.2 多圓柱強化傳熱問題

對于多排排列的圓柱群，由于上游柱對下游柱的整流作用，會使下游柱的傳熱效果不同于單個或單排圓柱。閆世峰等[6]通過對單排圓柱列與叉排圓柱列的流場、溫度場的特性進行了數值分析與比較，通過基于復合網格的計算方法，研究了不同排列方式下的流動與傳熱特性，計算結果表明，圓柱的排列方式對這兩種布置的流場的流動與傳熱特性將產生重要的影響，并且叉排圓柱列的傳熱效果要優于單排圓柱列的傳熱效果。

圓柱排列結構在影響流場的同時，對壁面換熱也具有重要影響。張麗等[7]也對叉排圓柱列進行了數值計算，在逐漸收縮的梯形通道內，對圓柱叉排的流動換熱的規律和壓力損失進行分析，并與矩形通道進行比較。計算結果表明，梯形通道與矩形通道的端壁總平均換熱系數相差不大，但是梯形通道內每排圓柱的平均換熱系數相差較大。

為了進一步改善擾流柱內的換熱效率，很多學者開始尋找新的擾流柱形式，比如液滴形、鏈式、橢球式等，許多學者把他們與圓柱形擾流柱流動和傳熱特性做了對比。楊成鳳等[8]用數值計算的方法對具有水滴形叉排擾流柱陣列矩形通道內的流動和換熱過程進行了數值模擬，并與具有相同截面積的圓柱形擾流柱進行了對比分析，發現水滴形擾流柱的阻力幾乎只有圓柱形擾流柱的一半，其強化換熱效果不及圓柱形擾流柱的換熱效果，但是水滴形擾流柱為實現高效低阻的冷卻方式提供了可能。

2.2 實驗研究

研究圓柱擾流強化傳熱對提高現代工業設備長期運行的可靠性與安全性也具有特別重要的現實意義，實驗研究是準確認識強化傳熱的有效手段之一。

2.2.1 單圓柱強化傳熱問題

冷學禮等[9]對振動圓柱的傳熱特性做了研究，通過流體低流速橫向沖刷簡諧振動圓管進行實驗，結果表明流體繞流振動圓管時，在較低流速下即可獲得較好的傳熱效果，換熱的增強較少地依賴于流動雷諾數，更多地依賴于振動雷諾數，傳熱的效果還受振動過程中的振幅與頻率的影響，在低頻與低振幅的范圍內，振幅越大，頻率越高，傳熱效果越好。同樣類似的研究還有許多，Saxena等[10]，姜波等[11]都對簡諧振動圓管的換熱特性進行了實驗研究，發現流體低速繞流振動圓管時，強化傳熱效果較好，并且換熱的強化隨振幅和頻率的增大而增大，與冷學禮的實驗結果吻合。

目前在許多換熱設備中都有用于強化換熱的各種結構的擾流元件存在，國內外學者將其與圓柱形擾流柱進行試驗對比研究。Li[12]通過實驗對橢圓形擾流柱的強化換熱效果和壓力損失進行了研究，并與具有相同周長的圓形擾流柱進行了比較，發現前者的換熱系數比后者有一定提高，且壓力損失僅為后者的44%～58%.

Uzol和Camci[13]通過實驗比較了圓形、標準橢圓和加長橢圓3種形狀不同、具有相同橫向尺寸擾流柱后部尾跡區的換熱特性和壓力損失特性，發現圓形擾流柱的傳熱系數比標準橢圓和加長橢圓的結果高出25%～30%，壓力損失系數卻高出100%～200%.

此外，Montepare和Ricci[14]用熱象儀拍攝了裝有單個圓形、方形、三角形和長菱形擾流柱的矩形通道恒熱流壁面的溫度場，進而分析了擾流柱形狀對換熱性能的影響。當Re＜1 500，圓形擾流柱的換熱能力強于方形擾流柱的；當Re＞1 500時，方形擾流柱的換熱能力得到了加強，優于圓形擾流柱的。在所測雷諾數范圍內，三角形擾流柱的換熱效果好于圓形擾流柱的；菱形擾流柱的換熱能力介于圓形擾流柱和三角形擾流柱之間。

在國內，黃國聯[15]通過實驗和計算，詳細分析比較了圓柱形、圓柱竹節形、橢圓竹節形擾流柱的換熱特性，圓柱竹節形擾流柱的平均努塞爾特數比圓柱形擾流柱的高4%左右，橢圓竹節形擾流柱的平均努塞爾特數比圓柱形擾流柱的低10%左右，得出橢圓竹節形擾流柱具有高效低阻的良好綜合性能。

2.2.2 多圓柱強化傳熱問題

董素艷等[16]通過特設的矩形截面吸氣式風洞為實驗裝置，在矩形通道內放置了叉排的圓柱擾流柱排，對叉排圓柱擾流柱排換熱實驗段通道端面上的換熱系數進行了詳細測量，結果表明在擾流柱前的駐點附近和擾流柱后的尾跡區旋渦強湍流度高的區域，換熱強化作用非常明顯，在整個擾流柱排內換熱強化系數平均在2.5以上，局部換熱強化系數可達4以上，擾流柱排對其下游換熱影響范圍很大，在下游6 d處仍有1.5左右。該結論對實際應用具有一定的參考價值。吉洪湖等[17]對一個帶有叉排圓柱陣列的矩形通道在旋轉狀態下的對流換熱進行了初步的實驗研究，實驗結果表明，在雷諾數的實驗范圍內（12 000～45 000），在相同轉動數Ro下，Re越大，換熱系數增加得越多；旋轉不僅增加了通道后表面的換熱，也增加了前表面的換熱，且換熱隨Ro的增加而增加；由于通道內叉排圓柱的影響，沿通道軸向換熱系數是單調增加的。

Ryosuke Matsumoto、Shinzo Kikkawa等[18]利用熱色液晶溫度圖譜顯示了裝有單個、單排、順排和叉排圓形擾流柱群的矩形通道恒熱流壁面局部對流換熱系數的分布。當氣流橫掠單柱時，其尾跡區溫度比較低，柱前緣有一個“U”形局部對流換熱系數加強區。當氣流橫掠一排擾流柱時，柱后尾跡區的局部對流換熱系數隨著擾流柱間距的減小而增強。對于順排擾流柱群，第一排和第二排柱周圍的壁面對流換熱系數加強區面積略小，但從第三排起，每個柱前緣出現了一個“U”形換熱加強區。當擾流柱叉排時，由于氣流的湍流度大于順排的，其換熱性能也強于順排的。

3 強化傳熱技術研究方向展望

綜上所述，通過對國內外文獻的分析總結可以看出，對圓柱擾流強化傳熱技術影響的研究主要采用綜合考慮傳熱和阻力損失的強化傳熱性能評價指標，基于最佳的強化傳熱效果應當以在最小的壓力增加下得到最大的傳熱效果為原則基礎，且最佳的強化傳熱效果與擾流柱形狀特征和結構特征有著密切關系。但對其影響因素的研究大多是通過數值計算和實驗模擬方法來研究的，對數學模型本身和模擬實驗條件而言也有其不足和局限性。

由文獻總結可以看出，目前，相關實驗研究和理論研究成果并未涉及圓柱擾流強化傳熱技術在不同工況下的對比性實驗研究，也未對其應用領域進行深入的了解、調查和研究，有針對性地解決存在問題的方法，阻礙了在實踐中的推廣應用。因此，對該方面問題進行深入實驗研究和系統的概述對于總結和完善當前研究具有重要的意義。

4 小結

本文通過對已有資料進行總結得出，現有的圓柱擾流強化傳熱技術研究主要集中在數值計算和模擬實驗方法上，而對不同工況下的對比性實驗研究還相對較少，另外，對其應用領域進行深入的了解、調查和研究，有針對性地解決存在問題的方法也很匱乏，未來的研究有向這方面發展的趨勢。