边界层分离再附着效应对板式换热器传热特性的影响.pdf

化工机械2023 年化工机械DOI:10.20031/ki.0254鄄6094.202304008边界层分离再附着效应对板式换热器传热特性的影响余建平1田有文1宋伟1朱钰1沈文朋2渊1.兰州理工大学石油化工学院曰2.天华化工机械及自动化研究设计院有限公司冤摘要建立了描述板式换热器的曲线方程袁 通过数值模拟验证了层流条件下边界层分离理论模型的可靠性袁发现 Thwaites 理论计算量较小袁并且可以准确预测层流边界层的分离遥 采用层流方程求解了曲线型流道中不同 Re 下的流场与温度场遥 通过分析发现袁曲线边界导致流道收缩袁加快了流速袁增强了热量运输袁但是分离泡极大地削弱了热量的传递袁没有起到强化换热的作用遥关键词板式换热器强化传热边界层分离再附着效应中图分类号TQ051.7文献标识码A文章编号0254鄄6094渊2023冤04鄄0488鄄05基金项目院甘肃省科技重大专项渊19ZD2GA004冤曰甘肃省重点研发计划项目渊20YF8GA013冤遥作者简介院余建平渊1970-冤袁高级工程师袁从事流动传热与传质过程数值模拟尧数字孪生的研究遥通讯作者院田有文渊1995-冤袁硕士研究生袁从事流动传热与传质过程数值模拟尧板式换热器强化换热的研究袁遥引用本文院余建平袁田有文袁宋伟袁等.边界层分离再附着效应对板式换热器传热特性的影响咱J暂.化工机械袁2023袁50渊4冤院488-492.在野碳达峰尧碳中和冶的背景下袁板式换热器以其结构紧凑尧对数平均温差大尧压降低尧换热效率高等优点袁在分布式能源尧可再生能源尧空调及供暖等领域得到了高度关注咱1袁2暂遥通过改变板片形状尧增大换热面积尧强化流体扰动可以实现板式换热器的强化传热袁进一步提高板式换热器的传热性能袁其典型产品有V型槽尧波纹板尧鼓泡型等板式换热器咱3暂遥大量的实验及工程实践表明袁换热器表面的褶皱和突起具有强化换热的作用袁然而多样的板型结构是如何起到强化换热作用的还不明确袁而相关理论的缺乏又导致板型结构设计没有统一的理论指导遥笔者从流动非稳定性理论入手袁建立边界内强化换热理论机制袁分析曲线板片在逆压梯度作用下边界层分离与再附着对板片换热的影响袁探讨板式换热器线型设计的理论方法遥1边界层分离再附着理论由场协同理论咱4袁5暂可知袁当流场中速度场U軑与温度梯度荦T的夹角垂直时袁即U軑窑 荦T=0时袁流动对换热不起作用袁流动传热问题将演化为纯导热问题遥 在层流流动条件下袁边界层内流体流动方向与热流方向几乎垂直袁此时袁流动不能起到强化传热的作用袁边界层成为热阻的主要来源遥为了实现强化换热袁 考虑从减薄边界层入手遥 在曲面边界条件下袁逆压梯度将导致边界层减薄并分离袁从而起到强化换热的作用袁这个现象在横掠圆柱等实验中已被观察并证明咱6暂遥简化后的边界层方程如下院鄣u鄣x+鄣v鄣y=0u鄣u鄣x+v鄣u鄣y=-1籽鄣p鄣x+淄鄣2u鄣y2鄣p鄣y=0扇墒设设设设设设设设设设缮设设设设设设设设设设渊1冤其中袁u尧v为x尧y方向的速度曰籽为流体密度曰p为流体压力曰淄为运动粘度遥 边界层方程的非线性特性导致其难以求解袁冯 窑 卡门在方程组渊1冤的基础上引入边界层位移厚度和动量亏损厚度袁建立了线性积分形式的边界层方程袁使得边界层问题488第 50 卷第 4 期化工机械化工机械得以简化院鄣渊U2兹冤鄣x+U啄鄢鄣U鄣x=子w籽渊2冤啄鄢=啄0乙1-uU蓸蔀dy渊3冤兹=啄0乙uU1-uU蓸蔀dy渊4冤其中袁子w为壁面切应力曰U为外流速度曰兹为动量损失边界层厚度曰啄鄢为位移厚度遥卡门动量积分方程是对于层流和湍流均适用的精确方程袁方程给出了主流场速度尧边界层结构与壁面摩擦力之间的定量关系袁但并未给出边界层内的速度分布形式袁还需要假设速度分布才可以进行边界层分析遥1921年袁Pohlhausen提出了5系数渊a尧b尧c尧d尧e冤的曲面边界层速度假定院uU=a+b浊+c浊2+d浊3+e浊4渊5冤浊渊x袁y冤=y啄渊x冤渊6冤其中袁浊为边界层厚度袁无量纲曰啄为边界层厚度遥根据边界层已知的边界条件可以得到5个系数的表达式院uU=1-渊1+浊冤渊1-浊冤3+撰6浊渊1-浊冤3渊7冤撰渊x冤=啄2淄dUdx渊8冤其中袁撰是波尔豪森参数渊无量纲冤袁反映了外部势流压强梯度对边界层内部流动的影响遥Pohlhausen在理论上解决了边界层分离点的判定问题袁但实验测试表明袁Pohlhausen理论预测方法准确度不高遥 为了进一步提高边界层分离点的准确性袁1940年Holstein和Bohlen提出用新的无量纲数姿来代替波尔豪森参数袁 此时动量积分方程渊2冤可简化为院Uddx兹2淄蓸蔀=F渊姿冤渊9冤姿=兹2U忆淄其中袁U忆为外流速度在x方向的分量遥 1949年袁Thwaites在分析大量实验数据后提出了F渊姿冤的计算方法袁即院F渊姿冤=0.45-6姿渊10冤由此式渊9冤可改写为院ddx兹2U6淄蓸蔀=0.45U5渊11冤式渊11冤为积分形式的动量边界层分离方程袁当给定边界层外缘势流的速度分布后袁 可由式渊4冤求出兹袁进而求得姿袁当姿=-0.09时壁面切应力为0袁由此可求得边界层分离点位置遥2板型曲线函数为了达到控制边界层分离的目的袁引入二维数学方程表示板型曲线遥 该曲线为一光滑渐缩渐扩的由Gamma函数构成的曲线袁其数学方程为院y渊x冤=茁琢x琢-1e-茁x祝渊琢冤渊12冤其中袁系数琢用于控制曲线的高低袁系数茁用于控制曲线的宽窄袁祝渊琢冤为Gamma函数遥3模型求解及验证3.1分离点的理论求解由质量守恒方程可求出流速与截面的对应关系院鄣U鄣x=-Uy鄣y鄣x渊13冤根据势流理论袁外边界层压力与速度关系可由伯努利方程求出院鄣P鄣x=籽U鄣U鄣x渊14冤其中袁P为外边界层压力遥 将式渊13冤与式渊4冤联合即可求解出边界层分离点的位置遥 由于边界形状曲线为一非线性函数关系袁故还需采用数值法求解动量厚度和边界层分离点位置遥3.2分离点位置的数值求解为了检验Thwaites理论预测边界层分离点位置的准确性袁进一步分析板式换热器内的流动传热情况袁建立二维板式换热器模型袁方程系数选择琢=1尧茁=0.5遥 模拟方案采用倒置式流道袁即上表面为光滑无摩擦表面袁 用于提供主流区压力梯度袁下表面为无滑移壁面条件袁用于计算边界层分离及再附着点遥 计算区域入口为速度入口边界袁出口为压力出口边界遥 采用有限体积法进行离散求解袁壁面热边界为恒温壁面遥3.3分离点位置的可靠性验证为了确定数值模拟的可靠性袁将不同Re数下的边界层分离点数值模拟结果与不同研究者的实验数据进行对比袁 结果列于表1遥 可以看出袁489化工机械2023 年化工机械Thwaites理论解与数值解尧实验解咱7暂三者基本一致袁 由此验证了数值分析法和Thwaites理论模型的可靠性遥表1分离点位置与实验数据对比项目Thwaites理论解实验解Re6801 000数值解680 x/L0.320.330.31注院x为分离点水平方向的位置袁L为流道总长度4分析与讨论4.1边界层分离点边界层分离点是壁面切应力为0的点袁图1给出了沿x方向壁面的摩擦阻力系数曲线遥 由图1可以看出袁 边界层分离点受到来流Re数的影响袁但是影响作用不大曰 层流条件下Re数从170增大到680时袁边界层分离点由x/L=0.35向上游移动到x/L=0.31遥 边界层分离点相对固定袁表明在来流速度变化较大时现有的曲线表面能较好地适应来流变化袁边界层分离点不会因为来流速度的变化而失去控制遥图1沿x方向壁面的摩擦阻力系数曲线4.2分离再附着区的特性在逆压梯度的作用下边界层会出现分离袁同时还伴随着流动的继续尧流道扩张尧流速下降袁当逆压梯度消失后边界层会重新附着在壁面上遥 边界层在分离及再附着的过程中袁流体壁面附近会出现一个被拉伸的漩涡袁称为分离泡咱8耀13暂遥 图2给出了不同Re数下的分离泡形态图遥图2不同Re数下的分离泡形态图490第 50 卷第 4 期化工机械化工机械由图2可以看出袁 随着Re数的增大分离再附着区域变大袁分离泡长度与Re数之间呈现出正比例线性关系袁回归两者的关系可得如下近似关系式院ReRec邑x/L渊x/L冤c渊15冤其中袁下角标c代表参考值遥4.3分离区的换热特性图3给出了不同Re数下的x方向壁面Nu数曲线遥 可以看出袁当壁面的对流换热系数受到曲面壁面的影响时袁 壁面对流换热系数并非均匀减小袁在曲线喉部袁由于流体速度增大袁壁面对流换热系数在较大范围内保持在恒定状态袁而随着流道的扩张袁流速下降袁壁面Nu数快速下降袁当进入到分离泡核心区域时袁壁面对流换热系数下降到最小值曰壁面对流换热系数受来流速度的影响较大袁当来流速度较大时袁壁面Nu数也较大袁这与传热边界层理论分析相一致遥 为了便于比较未分离壁面与分离壁面的换热系数袁 从图3中纯平壁在Re=680时的对流换热系数曲线可以看出袁在曲线边界条件下以及在边界层分离点之前袁壁面对流换热系数大于纯平壁的曰而在边界层分离之后形成的分离泡区域袁其Nu数远小于纯平壁的遥图3不同Re数下的x方向壁面Nu数曲线通常袁流场中涡的出现会起到强化传热的作用遥 但是袁数值计算表明袁边界层分离后产生的分离泡不仅不会强化换热袁反而会削减传热袁分离泡核心区对流换热系数将达到最小值遥 分离泡内部的流场及温度分布云图如图4所示袁可以看出袁分离泡是一个封闭的涡旋结构袁它并不能起到掺混冷热流体的作用遥 外侧的来流将越过分离泡继续流动袁而分离泡的出现袁相当于增加了边界层的厚度遥5结束语笔者建立了用于描述板形曲线的参数方程袁通过控制曲线参数可以实现边界内逆压梯度的调节袁进而实现流场控制尧强化传热遥 研究结果表明院a.与数 值求解流 动传热N鄄S方程 相 比 袁Thwaites理论相对计算量较小袁 对于预测层流边界层分离有较高的准确度袁可被应用于板型设计中曰b.曲线边界导致流道收缩尧流速加快尧边界层减薄是曲线板型强化传热的根本原因曰c.边界层分离泡减弱了对流换热效果袁同时增加了边界层的厚度袁使导热的热阻更大遥参考文献咱1暂陈永东袁彭小敏袁于改革袁等.制冷用板式换热器标准修订介绍咱J暂.流体机械袁2017袁45渊7冤院74-79.咱2暂白书诚袁吴俐俊袁田梦雨.波纹板式换热器传热与流动特性分析咱J暂.热能动力工程袁2022袁37渊6冤院114-图4分离泡内部的流场及温度分布云图491化工机械2023 年化工机械121.咱3暂张仲彬袁张浩袁刘洋袁等.新型板式换热器导流区特性的数值模拟及场协同分析 咱J暂.机械工程学报袁2017袁53渊6冤院145-151.咱4暂过增元.换热器中的场协同原则及其应用咱J暂.机械工程学报袁2003袁39渊12冤院1-9.咱5暂苏欣袁程新广袁孟继安袁等.层流场协同方程的验证及其性质咱J暂.工程热物理学报袁2005袁26渊2冤院289-291.咱6暂姚远袁陈颖袁陈健勇袁等.板式换热器相变对流传热关联式的研究进展咱J暂.化工进展袁2018袁37渊7冤院2482-2492.咱7暂GAULT D E.An experimental investigation of regions ofseparated laminar flow咱M暂.National Advisory Commit鄄tee for Aeronautics袁1955.咱8暂TALAN M袁HOURMOUZIADIS J.Characteristic regimesof transitional separation bubbles in unsteady flow咱J暂.Flow袁Turbulence and Combustion袁2002袁69渊3冤院207-227.咱9暂LOU W L袁HOURMOUZIADIS J.Separation Bubblesunder Steady and 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ExchangerYU Jian鄄ping1,TIAN You鄄wen1,SONG Wei1,ZHU Yu1,SHEN Wen鄄peng2渊1.College of Petrochemical Engineering,Lanzhou University of Technology曰2.Tianhua Chemical Machinery and Automation Institute Co.,Ltd.冤Abstract In this paper,a parametric equation which describes plate curves was established and the numericalsimulation was implemented to verify the theoretical model爷s reliability of the boundary layer separation underthe laminar flow condition.The results show that,Thwaites theory has a small amount of calculation and it canaccurately predict separation of the laminar boundary layer.In addition,the laminar equation was used to solveboth flow and temperature fields under different Re in a curved flow channel.The analysis indicates that,thecurve boundary leads to the contraction of the flow channel,accelerates flow velocity and enhances heat trans鄄port,but the separation bubble greatly weakens heat transfer and doesn爷t play a role in strengthening the heattransfer.Key wordsplate heat exchanger,enhancing heat transfer,boundary layer separation,reattachment effect广告价格渊元/版冤彩色封面封面连页封二封三封底目录前页前插后插180001200010000800010000650060002500492