管内核心流强化传热的机理与数值分析-中国科学.PDF

中国科学 E 辑 : 技术科学 2009 年 第 39 卷 第 4 期 : 661 ~ 666 SCIENCE IN CHINA PRESS 管内核心流强化传热的机理与数值分析 * 刘伟, 杨昆 华中科技大学能源与动力工程学院, 武汉 430074 * E-mail: w_liu@ 收稿日期: 2008-03-27; 接受日期: 2008-05-21 国家重点基础研究发展计划(“973”计划)(批准号: 2007CB206903)和国家自然科学基金(批准号:资助项目 摘要 提出了管内核心流强化传热的方法, 其原理是通过在充分发展的管内层流核心流区 关键词 域采取强化传热措施, 从而在管内壁附近形成一个等效的热边界层, 以加大壁面附近流体的 管内层流 温度梯度, 达到强化表面换热的目的, 但又不显著地增加流动阻力. 对空气和水2 种流体的 核心流 分析比较和计算结果说明: 管内核心流传热强化的原理和方法对指导高效–低阻热交换器的 边界流 强化传热 设计具有一定的意义. 众所周知, 当流体外掠平板时, 强化换热的一个 擦力以及流体的耗散功有不同程度的增加. 基于此, 有效办法是提高流体速度, 以减薄流体的速度边界 文献[5]提出可以通过在管内构造一个等效热边界层 层和热边界层, 增加壁面附近流体的温度梯度. 但是, 来强化传热. 在此基础上, 本文则提出了一个管内传 在管内层流流动的充分发展段, 因整个管截面的速 热强化的新概念——核心流传热强化, 即在不显著增 度和温度都发生了变化, 并不存在传统意义上的边 加流动阻力的前提下, 通过在管内核心流区域采取 界层, 且恒有 Nu=4.364( 常热流) 及 Nu=3.657( 常壁 各种有效措施, 实现管内的换热强化. 温)[1], 因此, 对于管内流动, 通过提高流体速度来强 1 管内核心流传热强化的原理与模型 化换热已无意义. [2] 与传统的边界流强化传热的概念不同, 作者认 Bejan等人 将管流分为 2 个部分: 边界流(boundary flow)和核心流(core flow). 关于管内流动的传热强化, 为管内核心流是一个值得充分利用的传热强化区域, 通常采用的方法有[3]: 扰动流体边界层、扩展传热表 而且可以将核心流与边界流作为一个相互耦合的整 面面积、改变换热表面的物理性质等. 由于这些方法 体, 实现综合传热强化. 最直接的方法是使管内核心 均基于换热表面, 因而可称为边界流传热强化, 或表 流的温度尽可能均匀, 以便在管壁附近形成一个具 面传热强化[4]. 对于边界流传热强化, 尽管可以有效 有较大温度梯度的等效热边界层, 从而产生显著的 强化流体与边界表面间的换热, 但同时也会增加流 传热强化效果. 与此同时, 还要尽可能减小管内的速 动阻力, 若流动阻力成为矛盾的主要方面, 甚至可能 度梯度, 避免产生过大的流体剪切力; 尽可能减少对 会弱化换热. 管内水动力学边界的扰动, 避免产生过大的流体动 在管内壁采取诸如扩展肋、涡发生器以及沟槽等 量损失; 尽可能将连续的扩展面非连续化, 避免产生 强化传热措施后, 管内的流动阻力