新型矩形翼縱向渦發(fā)生器

新型矩形翼縱向渦發(fā)生器

縱向潮推進(jìn)了縱向傳統(tǒng)模式的優(yōu)化該收割機(jī)廣泛應(yīng)用于化工、汽車生產(chǎn)、冷壓機(jī)、電子冷卻、食品等領(lǐng)域。對(duì)于板翅式換熱器,板間流體的流動(dòng)可認(rèn)為是矩形通道內(nèi)的流動(dòng)?？v向渦發(fā)生器是一種有效的被動(dòng)式強(qiáng)化傳熱、換熱設(shè)備,其主要形式包括三角形翼、矩形翼以及這兩種形狀的小翼?？v向渦發(fā)生器由于其優(yōu)良的對(duì)流換熱性能受到了各國(guó)學(xué)者的廣泛關(guān)注。Eibeck和Eaton通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)縱向渦的形成能明顯增強(qiáng)換熱。Tigglebeck等人發(fā)現(xiàn)在攻角較大時(shí),三角形小翼的換熱性能優(yōu)于矩形翼。Gentry和Jacobi等人采用萘升華的方法發(fā)現(xiàn)在平板通道中布置三角形翼后,在低Re下?lián)Q熱增強(qiáng)50%~60%。Liou等人在比較了12種結(jié)構(gòu)的渦發(fā)生器后發(fā)現(xiàn),在流動(dòng)中產(chǎn)生的二次流對(duì)增強(qiáng)換熱有重要影響。Torii等人則對(duì)三角形翼的布置方向進(jìn)行了分析。為了進(jìn)一步提高縱向渦發(fā)生器的強(qiáng)化傳熱性能,Vasudevan等人對(duì)沖孔三角形翼的強(qiáng)化傳熱特性進(jìn)行了數(shù)值模擬,得到了非常理想的結(jié)果。后來,Lawson和Thole等人比較了沖孔和補(bǔ)充兩種情況的強(qiáng)化傳熱特性。為進(jìn)一步優(yōu)化縱向渦發(fā)生器的強(qiáng)化傳熱特性,本研究提出了一種新型的矩形翼縱向渦發(fā)生器,并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。該新型翼的設(shè)計(jì)方法是在原始矩形翼(這里稱為主翼)的側(cè)面垂直布置一個(gè)相對(duì)較小的矩形翼輔翼,將這種新型翼稱為組合翼,如圖1所示。圖中輔翼布置在主翼的上游,通過后面的分析會(huì)發(fā)現(xiàn),輔翼布置在主翼的上游和下游對(duì)流動(dòng)與換熱特性有一定影響。主翼的攻角記為α,輔翼的攻角記為β。1生成通道、輔翼、t型最大的輔助網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)裝置為一開式吸風(fēng)系統(tǒng),如圖2所示。主要包括喇叭形入口、進(jìn)口段、測(cè)試段、通道與風(fēng)機(jī)的過渡段和引風(fēng)機(jī)等。過濾網(wǎng)用于打碎較大的氣團(tuán),獲得均勻的流速。矩形通道主要由不銹鋼制成,其尺寸為600mm×160mm×640mm(長(zhǎng)×寬×高),主翼的尺寸為40mm×30mm×1.2mm(長(zhǎng)×寬×厚),輔翼的尺寸為20mm×10mm×1.2mm(長(zhǎng)×寬×厚)。為降低熱損失,通道外壁包有聚苯乙烯保溫材料。渦發(fā)生器到加熱器前端距離為40mm,輔翼在主翼上的位置為a=15mm和b=20mm。加熱器由兩塊鐵板夾一電加熱元件構(gòu)成,這種結(jié)構(gòu)能保證加熱器向兩側(cè)均勻加熱。通過通道側(cè)壁上加工的槽道,將加熱器固定在通道的中間,從而使通道分成上下對(duì)稱的兩個(gè)部分,渦發(fā)生器僅布置在上通道的加熱板上。在上下通道插入隔板可調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)通道的高度。實(shí)驗(yàn)中,上下通道的高度均固定為40mm。由于通道的對(duì)稱性,通過比較上下通道的換熱量即可分析渦發(fā)生器的強(qiáng)化傳熱特性;由于上下通道進(jìn)口和出口分別共享相同的截面,因此可認(rèn)為實(shí)驗(yàn)是在壓降相同的條件下進(jìn)行的。利用熱線風(fēng)速儀測(cè)量上下通道進(jìn)口流速,在上下通道進(jìn)口各布置一根T型熱電偶,在出口截面各均勻布置27根T型熱電偶用于測(cè)量空氣加熱前后的平均溫度。熱電偶的誤差為0.2℃,流速的誤差為0.01m/s。通過空氣帶走的熱量與電加熱器輸入的熱量之間最大誤差為9%。2強(qiáng)化傳熱特性,之間通道流速不同Re的定義為:Re=UlowDe/v式中:De—通道截面的當(dāng)量直徑;v—空氣的運(yùn)動(dòng)粘度;Ulow—下通道的空氣流速。值得指出的是,實(shí)驗(yàn)中,渦發(fā)生器布置在上通道,其結(jié)構(gòu)與形式發(fā)生改變時(shí),與下通道比較,上通道的阻力系數(shù)發(fā)生改變,從而影響上下兩個(gè)通道的流速。為分析問題方便,采用下通道的空氣流速定義Re。輸入的熱量由電加熱器的電流和電壓計(jì)算,即Q=IV。對(duì)流換熱量定義為:qi=cpρUi(Tout,i-Tin,i)式中:cp—空氣定壓比熱;ρ—空氣的密度;Tout、Tin—通道出口和進(jìn)口空氣溫度;下角標(biāo)i表示上通道或下通道。為表征渦發(fā)生器的強(qiáng)化傳熱特性,定義強(qiáng)化傳熱系數(shù)R為:R=(qup-qlow)/qlow。阻力系數(shù)定義為:f=?DeΔp/L2ρU2f=-DeΔp/L2ρU2。由于上下通道壓力損失Δp、通道長(zhǎng)度L、當(dāng)量直徑De和空氣密度ρ分別相等,因此上下通道的阻力系數(shù)之比為:ζ=fup/flow=U2low/U2upup2。Re、R和ζ的不確定度分別為2%、5%和1%。3輔翼的攻角及其布置方式對(duì)傳熱特性的影響為證明實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的可靠性,在未布置渦發(fā)生器時(shí),比較了上下通道的換熱量,如圖3所示。從圖中可以看出,隨著Re的增加,R逐漸降低。這是因?yàn)镽e較小時(shí),自然對(duì)流作用明顯。雖然在Re較小時(shí)R較大,但從后面的分析中可以看出,與縱向渦發(fā)生器的強(qiáng)化作用比較,這一差別很小,因此可證明實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的可靠性。圖4和圖5為原始矩形翼的攻角對(duì)流動(dòng)與換熱特性的影響。從圖中看出,在矩形翼的作用下,流動(dòng)中產(chǎn)生縱向渦,增加了固體壁面與空氣之間的對(duì)流換熱。隨著攻角的增加,矩形翼的強(qiáng)化傳熱效果增強(qiáng),且Re較高時(shí),攻角為45°時(shí)的換熱效果稍優(yōu)于攻角為55°的換熱效果。對(duì)于攻角對(duì)阻力系數(shù)的影響,隨著攻角的增加,阻力系數(shù)逐漸增加,且攻角為55°時(shí)的流動(dòng)阻力明顯高于攻角為45°的流動(dòng)阻力。因此,綜合流動(dòng)與換熱特性,在本研究的范圍內(nèi),攻角為45°時(shí)效果最佳。這表明所產(chǎn)生的縱向渦與攻角存在一最佳的關(guān)系。在后面分析中,主要考慮主翼的攻角為45°時(shí)的情況。圖6為輔翼的攻角及其布置方式對(duì)傳熱特性的影響。從圖中可以看出,與矩形翼相比,組合翼的作用使傳熱得到強(qiáng)化,表明組合翼的存在能有效控制旋渦的產(chǎn)生與發(fā)展,使旋渦更有效的與固體產(chǎn)生作用,增強(qiáng)傳熱性能;與輔翼布置在主翼的下游的情況相比,輔翼布置在主翼的上游有利于強(qiáng)化傳熱;與輔翼攻角為45°相比,輔翼攻角為30°時(shí)傳熱增強(qiáng)。圖7為組合翼輔翼的攻角及其布置方式對(duì)阻力系數(shù)的影響。從圖中可以看出,組合翼的阻力系數(shù)小于矩形翼的阻力系數(shù)。這更說明組合翼對(duì)旋渦的控制作用;與輔翼布置在主翼下游的情況相比,輔翼布置在主翼的上游時(shí)阻力系數(shù)減小,這是因?yàn)閷?duì)于矩形翼,下游空氣流速較大,當(dāng)輔翼布置在高速區(qū)時(shí),必然增加流動(dòng)阻力;與輔翼攻角為45°相比,輔翼攻角為30°時(shí)阻力系數(shù)增加?？紤]到實(shí)驗(yàn)中,輔翼攻角為30°時(shí)與輔翼攻角為45°時(shí)的壓降相同,而換熱量高于攻角為45°時(shí)的情況;另外,組合翼的流動(dòng)與傳熱特性均優(yōu)于矩形翼,因此可認(rèn)為輔翼攻角為30°時(shí)流動(dòng)與換熱特性最佳。4組合翼的作用在阻力相同的條件下測(cè)量了組合翼的流動(dòng)與換熱特性,得到主要結(jié)論為:(1)對(duì)于原始矩形翼,在研究范圍內(nèi),攻角為45°時(shí)流動(dòng)與換熱的綜合效果最佳;(2)對(duì)于組合翼,尤其是當(dāng)輔翼布置在主翼上游時(shí),能增強(qiáng)傳熱并降低流動(dòng)阻力;(3)在研究范圍內(nèi),輔翼攻角為30°時(shí)的流動(dòng)與傳熱綜合效果最佳