帶有三角翼渦發生器的螺旋通道強化換熱研究

摘" " " 要： 采用數值模擬方法探究了帶有三角翼型渦發生器的半圓形截面螺旋通道內流體流動與強化傳熱性能，考察了相鄰三角翼間隔角φ、長高比Г對強化傳熱性能的影響。結果表明：通道內安裝三角翼的φ值越小，對流體的整體擾動作用越強，強化換熱效果越好，但同時流動阻力也越大；研究范圍內，φ=180°布置的三角翼綜合強化傳熱效果最佳。同一雷諾數Re條件下，三角翼Г值越大綜合傳熱系數PEC值越高。φ=180°、Г=2.50時，綜合傳熱系數PEC在1.029～1.062之間。

關" 鍵" 詞：三角翼；螺旋通道；間隔角；強化換熱

中圖分類號：TQ021.3" " "文獻標識碼： A" " "文章編號： 1004-0935（2023）05-0661-05

螺旋通道被廣泛應用于石油化工、生物制藥、機械制造、制冷及能源動力等領域，具有制造簡單、結構緊湊、高效換熱等優點[1-2]。與其他通道相比，螺旋通道的主要關注點之一是二次流動，二次流是由離心力的作用引起的，有利于破壞或減薄邊界層，促進主流和壁面附近流體顆粒的混合，是強化傳熱傳質的關鍵[3]。眾多科研學者探究了不同截面形狀螺旋通道內流體流動和傳熱特性，其中半圓形截面螺旋通道可認為是螺旋半管夾套的簡化模型[4-6]。螺旋半管夾套常常安裝在反應釜外側用來傳遞反應釜內的反應預熱以確保反應釜內溫度，從而大幅度降低化學反應過程中的生產成本，產生巨大的經濟效益。已有研究結果表明，高雷諾數下，螺旋通道中二次流的強化傳熱效果降低，導致螺旋通道的綜合強化傳熱性能降低。為了進一步提高螺旋通道的傳熱性能，各種強化傳熱方式已被學者應用于螺旋通道以改善流場，實現強化換熱。

近些年來，采用固定安裝的渦發生器強化通道內流體的換熱已被大量文獻報道[7-8]。其中，翼型渦發生器能夠產生作用范圍較大的縱向渦旋，有效減小通道內的流動死區，在無需外加功率的條件下，能夠以增加少量壓力損失為代價來實現強化換" "熱[9-10]。翼型渦發生器產生的縱向渦旋會引起強烈的旋流運動，增加了流體混合，減薄或者破壞了熱邊界層的連續發展，使流體與換熱表面間的傳熱得以改善[11]。已有研究結果表明，渦流發生器的布置數量和結構參數均會對換熱效果產生重要影響。SHAFIQUL[12]等在方形通道內周期性布置渦流發生器，并對流體的換熱特性進行研究，結果表明傳熱性能明顯優于光滑通道，但流動阻力同時增加。賈龍[13]等對比了渦發生器結構參數對細微直通道換熱性能的影響，結果表明盡管長高比對流體換熱性能影響較小，但隨著長高比的增加流動阻力隨之" 增加。

本文通過三角單翼型渦流發生器復合半圓形截面螺旋通道達到強化換熱的目的，為深入分析安裝三角翼型渦發生器后流體的傳熱特性，主要考察了相鄰翼型渦發生器間隔角、結構參數對螺旋通道內傳熱效果的影響，為翼型渦發生器復合螺旋通道的強化傳熱方式在工程實際中的推廣和應用提供理論參考。

1" 物理模型及幾何參數

物理模型如圖1（a）所示。半圓形截面螺旋通道螺旋半徑、螺距、半圓管半徑分別為：Rc=80 mm、P=40 mm、r0=10 mm，圈數為4圈。起始三角翼安裝在距螺旋通道入口θ=180°位置處。三角翼的結構及布置方式如圖1（b）所示，翼的長和高取值分別為a=8 mm，b=4 mm，翼厚c=1 mm。三角翼斜邊迎流布置，定義長邊a與螺旋線夾角為攻角α，取值為α=30°。本研究中主要考察了間隔角φ與長高比Г對三角翼強化螺旋通道傳熱性能的影響，其中間隔角φ的取值分別為90°、180°和360°，長高比Г取值范圍為1.5～2.5。

2" 研究方法

2.1" 數值模擬

運用Fluent軟件對安裝多個三角翼的螺旋通道進行數值模擬計算。基于Realizable k-ε湍流模型，采用SIMPLEC算法，二階迎風格式離散，壁面處理采用標準壁面函數。入口邊界條件為速度入口，入口溫度Tin=293 K，出口為壓力出口。在計算過程中半圓形直壁面為換熱壁面，定義壁面溫度 Tw=373 K，外壁面為絕熱。收斂條件為連續性方程和動量方程殘差小于1.0×10-5，能量方程殘差小于1.0×10-6。

對計算域網格采用分塊劃分，三角翼周圍局域為非結構化網格，并針對此區域進行局部加密，無三角翼區域采用結構化網格，并進行網格獨立性驗證以確保計算結果的準確性。

2.2" 數值模擬結果的驗證

為驗證數值模擬的正確性，采用文獻[14]中的實驗裝置對光滑半圓形截面螺旋通道內換熱特性進行實驗研究。實驗中螺旋通道曲率半徑、螺距、半圓管半徑分別為：Rc=80 mm、P=40 mm、r0=10 mm，圈數為4。圖2給出了對流換熱系數hm和壓差Δp的模擬值與實驗值的對比結果。

由圖2可以看出，模擬值與實驗值的趨勢吻合較好，hm相對偏差絕對值3.54%～6.79%，Δp相對偏差絕對值為3.35%～6.12%。由此可見，本研究采用的數值模擬方法是可靠的。

3" 結果與討論

3.1" 間隔角φ對換熱性能的影響

為了分析相鄰三角翼間隔角φ對換熱和流動阻力的影響，圖3和圖4分別給出了不同φ值下努塞爾數Nu和阻力系數f的變化曲線。由圖3可以看出，隨著φ值的減小，Nu值逐漸增加。這是由于隨著φ值的減小，螺旋通道內三角翼的數量越多，產生縱向渦旋的數量增加，促進了流體混合程度，使換熱效果增強。

由圖4可以看出，與單一螺旋通道相比，在通道內安裝三角翼導致阻力系數f顯著增加，隨著φ值的減小，f值逐漸增加，導致此現象的原因是，一方面流體繞過三角翼后產生縱向渦旋會造成一定的能量損失，另一方面渦旋隨著流動演變過程中，減薄了換熱邊界層的同時，導致了近壁處流體速度梯度的增加，進而使摩擦阻力變大。而小φ值下，三角翼數量的增多會造成更多的流動阻力損失。

從圖3和圖4中可以看出，φ值越小，Nu和f值同時增加，為了綜合評價三角翼間隔角φ對通道綜合強化換熱效果的影響，定義綜合強化傳熱因子PEC如下。

圖5給出了不同φ值下的PEC值，可以看出研究范圍內PEC值均大于1，說明三角翼可以在半圓形螺旋通道內獲得良好的強化傳熱效果。同時可以看出φ=180°的三角翼的綜合強化換熱效果最好。分析結果表明，研究范圍φ=180°時，PEC在" " " 1.050 9～1.018 4之間。

3.2" 長高比Γ對換熱性能的影響

為了考察三角翼長高比Γ對半圓形通道換熱效果的影響，圖6、圖7分別給出了努塞爾數Nu、流動阻力系數f隨Re的變化曲線。

從圖6、圖7中可以看出，隨著Γ值增加，Nu和f值同時增加，同單一螺旋通道相比，Nu值增加了3.79%～10.56%，f值增加了8.83%～13.34%。這是由于隨著Γ值越大，流體繞過三角翼時形成的二次渦旋強度越強，范圍越大，促進強化換熱效果。但同時通道內由三角翼引起的形狀阻力也隨之增大，導致通道內流動阻力的增加。圖8給出了三角翼不同Г下的PEC值，從圖中可以看出，所有Г值下的PEC值都高于1，說明在螺旋通道中安裝三角翼是一種有效的強化換熱措施。同一雷諾數下，三角翼Г越大PEC值越高，即綜合強化換熱效果最佳。

4" 結 論

通過數值模擬方法，研究了帶有三角翼型渦發生器的螺旋通道內流體的強化傳熱特性，考察了三角翼間隔角以及長高比對強化傳熱效果的影響。得到如下結論：

1）相鄰三角翼間隔角φ越小，螺旋通道內努塞爾數Nu和阻力系數f越大，φ=180°時具有最佳的換熱效果。

2）隨著三角翼長高比Γ的增加，更有利于產生強度更大且作用范圍更大的縱向渦旋，能夠有效促進通道內流體的充分混合，達到高效的強化換熱效果，但同時導致螺旋通道內流體流動阻力增大，研究范圍內Г=2.5時三角翼具有最佳的綜合換熱" 性能。

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Abstract：" The fluid flow and enhanced heat transfer performance in a helical channel with a semicircular section with a triangular airfoil vortex generator were investigated by numerical simulation method. The effects of the interval angle φ and aspect ratio Г of adjacent triangular winglet on the enhanced heat transfer performance were investigated. The results showed that the smaller the φ value of the triangular winglet installed in the channel， the stronger the overall disturbance effect on the fluid， the better the heat transfer enhancement effect， but the greater the flow resistance; Within the research range， the triangular winglet arranged when φ=180° had the best comprehensive heat transfer enhancement effect. Under the same Reynolds number Re， the larger the value of Г of the triangular winglet， the higher the PEC value of the comprehensive heat transfer coefficient. When φ=180° and Г=2.50， the comprehensive heat transfer coefficient PEC was between 1.029 and 1.062.

Key words： Triangular winglet; Helical channel; Interval angle; Enhanced heat exchange