短小柱肋阵列在紧凑型换热装置的强化传热中具有广泛应用。对用于受限空间强化传热的小高径比交错阵列柱肋通道进行了数值模拟,研究了展向柱间距、流向柱间距和雷诺数对气动传热特性的影响规律,给出了通道阻力系数和强化传热等级的经验关联式,并基于此对柱间距的影响作了定量分析。结果表明,通道阻力系数随展向柱间距的扩大而减小,但随流向柱间距呈非单调变化,而须在沿程阻力和局部阻力间达到平衡,阻力经验关联式中的指数绝对值表明:流阻更多是受展向柱间距的影响;通道强化传热能力随流向柱间距的缩小而增强,但随展向柱间距呈非单调变化,而须在柱间交互作用和柱侧附面层分离抑制之间达到平衡,传热经验关联式中的指数绝对值表明:传热更多是受流向柱间距的影响。 Short Pin Fin array sees a broad range of applications in area of compact heat transfer devices. Computation was conducted for staggered arrays of low aspect pin fins used for enhancing heat transfer in limited spaces. Effect of spanwise and streamwise pin spacing and Re number on the aerothermodynamic performances were investigated. Empirical correlations were established to estimate friction factor and heat transfer enhancement level, based on which a quantitative analysis was conducted for pin spacing. The results indicated that, friction factor increases with expanding spanwise pin spacing, yet no monotonic variation is observed with streamwise pin spacing, as balance is to be achieved between monolith and local resistances. The index value in friction correlation indicates that pressure loss is more influenced by spanwise pin spacing. Heat transfer capacity can be enhanced by increasing streamwise pin spacing, similarly, it doesn’t show a monotonic variation with spanwise pin spacing, as balance is to be achieved between pin-pin in-teraction and depress of boundary layer separation on pin surface. The index value in heat transfer correlation indicates that heat transfer is more influenced by streamwise pin spacing.
短小柱肋阵列在紧凑型换热装置的强化传热中具有广泛应用。对用于受限空间强化传热的小高径比交错阵列柱肋通道进行了数值模拟,研究了展向柱间距、流向柱间距和雷诺数对气动传热特性的影响规律,给出了通道阻力系数和强化传热等级的经验关联式,并基于此对柱间距的影响作了定量分析。结果表明,通道阻力系数随展向柱间距的扩大而减小,但随流向柱间距呈非单调变化,而须在沿程阻力和局部阻力间达到平衡,阻力经验关联式中的指数绝对值表明:流阻更多是受展向柱间距的影响;通道强化传热能力随流向柱间距的缩小而增强,但随展向柱间距呈非单调变化,而须在柱间交互作用和柱侧附面层分离抑制之间达到平衡,传热经验关联式中的指数绝对值表明:传热更多是受流向柱间距的影响。
短小柱肋,交错阵列,强化传热,经验关联式,数值模拟
Shi Bu1,2, Yanru Shen1, Weigang Xu1,2, Lin Liu1,2, Lin Zhang1,2
1School of Mechanical Engineering, Changzhou University, Changzhou Jiangsu
2Jiangsu Key Laboratory of Green Process Equipment, Changzhou Jiangsu
Received: Oct. 6th, 2020; accepted: Oct. 21st, 2020; published: Oct. 28th, 2020
Short Pin Fin array sees a broad range of applications in area of compact heat transfer devices. Computation was conducted for staggered arrays of low aspect pin fins used for enhancing heat transfer in limited spaces. Effect of span wise and streamwise pin spacing and Re number on the aerothermodynamic performances were investigated. Empirical correlations were established to estimate friction factor and heat transfer enhancement level, based on which a quantitative analysis was conducted for pin spacing. The results indicated that, friction factor increases with expanding span wise pin spacing, yet no monotonic variation is observed with streamwise pin spacing, as balance is to be achieved between monolith and local resistances. The index value in friction correlation indicates that pressure loss is more influenced by span wise pin spacing. Heat transfer capacity can be enhanced by increasing streamwise pin spacing, similarly, it doesn’t show a monotonic variation with span wise pin spacing, as balance is to be achieved between pin-pin interaction and depress of boundary layer separation on pin surface. The index value in heat transfer correlation indicates that heat transfer is more influenced by streamwise pin spacing.
Keywords:Short Pin Fin, Staggered Array, Heat Transfer Enhancement, Empirical Correlation, Numerical Simulation
Copyright © 2020 by author(s) and Hans Publishers Inc.
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换热装置小型化要求的逐步提高,使受限空间内的强化传热日趋重要。在核心单元体积缩小但热负荷不变的条件下,如何在保证结构强度的同时使热通量满足要求,成为亟待解决的问题。短小柱肋阵列因具有较好的加工鲁棒性而成为一种常用的强化传热手段 [
图1. 涡轮叶片尾缘末端短柱肋阵列冷却结构示意图
小高径比的优点是结构强度高,但传热能力易被削弱。相比普通列管换热器,短柱阵列的特殊性体现在:结构方面,相比光通道,实际总传热面积减小,即柱面的面积小于柱肋占据的端壁面积;流动方面,柱面与端壁交互作用形成的大尺度流动结构在柱高方向上覆盖率较大,使流场三维性加强;传热方面,端壁贡献的传热量比重较大。国内外学者已通过对柱肋进行该型设计,旨在减少流动阻力的同时进一步强化传热。饶宇等 [
由于柱面传热强于端壁,柱肋阵列的平均传热系数随高径比的增大而增强 [
图2. 柱间距定义
目前,针对H/D < 1.0短柱肋的定量研究未见报道。本文针对H/D = 0.5典型交错短柱阵列的气动传热特性展开定量分析,获得气动参数Re数和结构参数Sx/D、Sy/D对阵列流阻和传热的影响规律,为此类受限空间内强化传热性能的改善提供指导。
针对H/D = 0.5的短柱,考察柱间距的影响,取值范围为1.0 ≤ Sx/D ≤ 5.0和1.5 ≤ Sy/D ≤ 5.5,涵盖大多数应用中的结构参数范围。具体取值如表1所示。共需考察1 × 5 × 5 = 25种阵列结构。
结构参数 | 取值 | ||||
---|---|---|---|---|---|
H/D | 0.5 | ||||
Sx/D | 1.0 | 2.0 | 3.0 | 4.0 | 5.0 |
Sy/D | 1.5 | 2.5 | 3.5 | 4.5 | 5.5 |
表1. 短柱阵列结构参数
柱肋阵列气动传热性能用无量纲参数表征,其中阻力系数定义为:
f = Δ P 2 ρ U max 2 N (1)
Δ P 为从阵列进口到出口的总压损失,ρ为进口工质密度,Umax为阵列中的最高流速,N为柱肋总排数。
用Nu/Nu0表征扰流引起的强化传热,Nu为实际努塞尔数,Nu0为相同当量直径光滑通道平均努塞尔数,通过Dittus-Boelter公式计算:
N u 0 = 0.023 Re 0.8 Pr 0.4 (2)
公式(2)中,Pr为普朗特数。
根据短柱阵列的流动特点,取单一流向周期,进一步利用对称面,取一半通道作为计算域。为在阵列入口达到流动完全发展和避免出口回流,在通道进出口分别设置延伸段,如图3所示。工质为理想气体,粘度ν由Sutherland定律计算。进口速度根据Re数计算。表征Re数的特征尺度是柱肋直径,特征速度是流体通过柱间展向最小截面的平均通流速度,根据一般的工况范围,Re数取5000~65,000,进口温度取293 K。出口给定压力,大小为1 atm。端壁和柱面设为速度无滑移,温度设为323 K。
图3. 短柱阵列计算域和边界示意(H/D = 0.5, Sx/D = 3.0, Sy/D = 3.5)
利用ICEM软件划分全域六面体结构化计算网格,近壁面加密,局部网格如图4所示,Y+值限定在1.0以下。为平衡计算效率和经济性,对典型阵列结构作网格独立性检验。图5显示,网格数达到一定量级后对计算结果的影响可忽略。因此,对全部25种阵列结构,采用网格独立后的一致尺度。
采用ANSYS Fluent 19.1软件进行三维流动传热数值计算。参考Axtmann [
图4. 局部网格示意图
图5. 阵列总压损失随网格数量的变化
图6. 数值方法验证
对于不变的流向柱间距,阻力随展向柱间距的减小而增大,如图7(a)和图7(b)所示。原因是,较小的Sy/D意味着较高的通道堵塞率。对比图7(a)和图7(b)可知,流向柱间距较小时,Sy/D对流阻的影响较大,显然是受相邻柱肋间更加剧烈的流动交互作用影响。对于不变的展向柱间距,流阻却随Sx/D呈非单调变化,如图7(c),图7(d)所示。Sx/D较小时,上下游相邻柱肋间的流动交互作用较剧烈,产生较高的局部耗散,但较小的柱间距离使沿程损失不显著;Sx/D较大时,上下游相邻柱肋间的流动交互作用减弱,局部损失减少,但较长的流向距离却带来更显著的沿程损失。因此存在某最佳Sx/D值,能在局部损失和沿程损失间达到平衡,获得最小的流阻,这一最佳值随展向柱间距的不同而改变。比如,当Sy/D = 1.5时,Sx/D = 2.0是较好的方案,而当Sy/D = 5.5时,Sx/D = 1.0是较好的方案。在考查阵列流阻时,流向柱间距是不太重要的因素,对比图7(a),图7(b)和图7(c),图7(d)可知,展向柱间距对流阻的影响远大于流向柱间距。因此,仅通过扩大展向柱间距可达到有效减阻的目的。
图7. 阵列阻力特性随柱间距的变化
相比可作二维几何简化的长柱结构,短柱肋阵列流场的三维特性大幅加强,其背风面的回流结构不同于典型的柱体扰流 [
图8. 阵列传热特性随柱间距的变化
对全部计算所得数据进行回归分析和指数拟合,可得阻力系数f的经验关联式为:
f = 0.1198 ( S x D ) 0.0505 ( S y D ) − 0.7022 Re D 0.0327 (3)
强化传热等级Nu/Nu0的经验关联式为:
N u / N u 0 = 1.2023 ( S x D ) − 0.3248 ( S y D ) − 0.1138 Re D 0.0222 (4)
关联式中流向和展向柱间距对应指数绝对值的大小分别指明了两种几何参数对流阻和传热的相对影响程度。对于阻力系数,Sx/D和Sy/D的对应指数绝对值分别为0.0505和0.7022,说明展向柱间距对流阻的影响远高于流向柱间距,这与2.1节的分析一致;对于强化传热等级,Sx/D和Sy/D的对应指数绝对值分别为0.3248和0.1135,说明流向柱间距对传热的影响高于展向柱间距,这与2.2节的分析一致。由关联式可进一步看出两种柱间距对流阻和传热影响程度的定量差异。对于流阻,两种方向柱间距存在14倍差距,而对传热,两种方向柱间距只存在不到3倍差距。因此,交错阵列短小柱肋传热系统的“投入”在几何上受到显著的方向差异影响,而其“产出”受几何的影响则相对趋于各向同性。
通过数值模拟研究了展向和流向柱间距对交错阵列短小柱肋强化传热特性的影响规律,拟合了阵列流阻和强化传热的经验关联式,基于定量分析结果给出了气动传热性能的优化方向。主要结论有:
1) 阻力系数随展向柱间距的扩大而减小,但随流向柱间距的改变不呈单调变化,而须在沿程阻力和局部阻力之间达到平衡。
2) 传热随流向柱间距的缩小而增强,但随展向柱间距的改变不呈单调变化,而须在柱间交互作用和柱侧边界层分离之间达到平衡。
3) 展向柱间距对流阻的影响远强于流向柱间距,而传热则更多是受流向柱间距的影响。
本研究得到江苏省高等学校自然科学研究面上项目(No. 19KJB470002),以及江苏省绿色过程装备重点实验室开放课题基金资助项目(No. GPE202005)的支持,特此感谢!
卜 诗,沈彦儒,许伟刚,柳 林,张 琳. 交错阵列短小柱肋强化传热特性的定量分析Quantitative Research on the Heat Transfer Enhancement from Staggered Arrays of Short Aspect Ratio Pin Fins[J]. 机械工程与技术, 2020, 09(05): 489-497. https://doi.org/10.12677/MET.2020.95053