異型渦流發生器的數值分析

湖北工程學院物理與電子信息工程學院 徐 鵬

1 引言

主動換熱和被動換熱是目前常用的兩種強化換熱技術。需由外部獨立能量來維持物體換熱的這種現象稱為主動強化換熱，噴射、震動、攪拌等都屬于這一類換熱[1][2]。此外，通過改變換熱裝置結構物性來達到提高換熱能力的這種方法稱之為被動強化換熱，比如納米流體，渦流發生器，粗糙表明，擴展表面，螺旋管，表面張力裝置，位移式強化裝置等都屬于這一類型。被動強化傳熱技術由于其自身的特點，并不需要消耗外界額外的能量，應此使用更為廣泛。正如渦流發生器強化換熱正是這種技術的一種代表應用。通常渦流發生器是通過各種不同的工藝加裝在換熱器翅片上，為縱渦的產生提供必要的條件，這種縱渦通常為馬蹄形。按照渦流發生器的外部形狀來分，一般可以分為體型和翼型兩種。例如體型渦流發生器包括球體、圓錐體、立方體、圓柱體等形狀[4]。

2 物理模型

通過對業界各種形狀的渦流發生器的比較，本文提出了一種新型的梯形小翼渦流發生器，具體的物理模型見圖1，尺寸單位為mm。

圖1 梯形小翼渦流發生器尺寸

3 控制方程

由于我們采用商業軟件進行本次的數值計算，軟件中主要用到的是Navier-Stokes方程，它經典的牛頓第二定理應用到流體流動的分析中。用偏微分方程分別定義質量、能量和動量守恒。我們假定本次計算的流體是不可壓縮形式，同時流體處于穩定狀態。由于本次計算并沒有額外物理場的影響，這里采用標準的Navier-Stokes方程[5]。

4 性能評價標準

合理的強化換熱技術綜合性能指標(PEC)是促進強化換熱技術發展的重要因素。它能實現不同強化換熱設備之間定性的比較。依據壓強損失與速度平方正相關的關系，本文以為評價指標。當此指標值大于1時，可以認為在出入口壓強損失相同的情況下，優化后的基于強化換熱的換熱器其換熱量高于基準換熱器[6]。

5 分析與討論

通過數值計算，我們可以得到當雷諾數從600上升到1600的過程中，努塞爾數大約從21下降到了13，同時摩擦因子從0.04上升到了0.09。說明隨著雷諾數的增加，換熱效果有所提升，但代價是需要耗散更多的外界能量。從另外一個角度來解釋即梯形小翼的存在，促進了縱向渦旋的形成，為冷、熱氣流的充分交換提供了保證，有助于散熱器換熱性能的提升。為了得到其綜合的換熱效果，本文對其綜合換熱效果進行了評價即上述的PEC。如圖2所示，從圖中可以看出，當雷諾數小于1200時，渦流發生器的PEC隨Re有一個緩慢上升的過程，并在Re等于1200時達到峰值，當雷諾數大于1200時，由于梯形結構尺寸的限制，其綜合換熱因子極具下降，下降速度遠大于上升速度，也就是說此種類型的渦流發生器更適合布置在低雷諾數氣體條件下。

圖2 PEC隨Re變化曲線

6 結論

本文采用數值計算的方法對一種異形渦流發生器的結構進行了分析，分析結果表明采用此種結構的渦流發生器的綜合性能評價指標PEC存在一個最優工作區間，即雷諾數小于1200時，PEC變化相對緩慢，說明此種類型的渦流發生器更適合的工作條件是雷諾數小于1200。

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