曲面涡产生器对扁管管翅式换热器传热性能的影响

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随着我国铁路不断向着高速重载发展,对机车用扁管管翅式换热器的性能要求也越来越严格。在实际应用中为了提高换热器的换热效率但不增加换热器的体积和重量,常常在换热性较差的一侧放置涡产生器来达到此目的。涡产生器产生的纵向涡能够促进通道内的冷热流体的掺混,削弱或破坏边界层的发展,使得通道内的换热增强。目前,国内外大量对涡产生器的研究表明曲面翼型涡产生器相较于平面翼型涡产生器具有更好的传热性能。许多文献集中在涡产生器对矩形通道、圆管和椭圆管管翅换热器换热性能的研究上,尚未有文献研究曲面涡产生器对扁管管翅式换热器的流动和传热影响。论文对扁管管翅式换热器中常用的平面涡产生器进行了改进,在涡产生器面积不变的前提下,将通道内每排单个平面涡产生器改进为每排一对曲面涡产生器。对比了涡产生器改进前后对换热器换热性能影响的差异,并进一步分析了涡产生器的攻角、涡产生器高度与底边长度之比和位置对换热器换热性能的影响。主要结论如下:纵向涡的强度随着涡产生器的攻角增大而增大,相同涡产生器面积下,曲面涡产生器产生的纵向涡的强度更大。曲面涡产生器能有效降低翅片表面的温度,显著提升换热器的换热性能。与平面涡产生器相比,曲面涡产生器的平均Nu最大增大了26.02%,阻力系数f最大增加了45.04%,强化换热评价因子最大增加了13.39%。曲面涡产生器高度与底边长度之比H/l越小,纵向涡的强度越大,两个主涡之间的共同向上的流体结构对翅片表面的冲刷更加剧烈,强化换热效果更加明显。涡产生器位置为0-23.15mm,攻角β=35°时,与涡产生器高度与底边长度之比H/l=0.766相比,当涡产生器高度与底边长度之比H/l=0.391时,换热器的平均Nu增加了2.74%~8.03%,阻力系数f增加了0.52%~8.0%,强化换热评价因子JF增大了2.1%~9.3%。将每排扁管对应的第一组曲面涡产生器放置在扁管前端对强化换热更有利,相比于其它涡产生器间距,涡产生器间距为23.15mm时能提高换热器整体的换热性能。当涡产生器位置为0-23.15mm时,相比于涡产生器位置为23.15-11.575mm,平均Nu最加了4.6%~8.2%,阻力系数增加了6.9%~8.2%;在Re=900,β=35°。曲面涡产生器位置为0-23.15mm时,强化换热评价因子JF最大为1.31。当Re<900、900≤Re≤1800和Re>1800时,分别采用涡产生器位置为11.575-23.15mm、0-23.15mm和0-11.575mm能获得较好的换热性能。
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