文摘

传热强化技术开发更高效的系统的目标要求在许多应用程序中。一个可用的被动方法是由粗糙表面的使用。横向湍流器提高了传热速率降低表面附近的热阻,因为改善当地湍流;另一方面,更高的预计损失。本文数值调查进行强制对流湍流水肋通道。它的外墙是由恒热流加热。几个安排肋骨的高度,宽度,和形状进行了分析。目的是找到最优配置的高传热系数和低的损失。无量纲的最大平均努塞尔数评估6球,8、10根据形状,而最大摩擦力因素的范围从8到10球。

1。介绍

传热强化技术领域的工程研究中起着重要的作用和行业由于每个热交换器实际上是一个潜在的候选人“增强”。几种传热增强技术开发为了获得尺寸减少,提高热力学过程效率,节约成本。根据热设备和目标,不同的技术。他们在许多应用程序中使用广泛扩散作为制冷热交换器,汽车和航空领域,过程工业,太阳能热水器等等。

根据Bergles et al。1]和Bergles [2),有几种增强技术可用。13个不同的技术识别分为“被动”和“积极”的,所指出的韦伯和金3]。被动技术采用特殊表面几何图形,如涂层表面,粗糙表面、扩展表面或漩涡流设备,和液体添加剂获得增强的目标。活跃的技术需要外部电源供应,如机械艾滋病、电动或声学领域,表面振动。

的一个可能的解决方案来提高被动传热采用的是积分粗糙度(4- - - - - -8]。相当大的数据存在单相强迫对流流在粗糙表面几何形状像平坦的盘子,圆管,非圆形通道、纵向流杆包、环形和正交圆管流动。内部粗糙几何图形代表一个可靠和广泛采用的技术在一些商业应用在蒸发器(4),冷凝器(5),蒸汽冷凝器(6),燃气轮机叶片制冷(7),太阳能热水器(8),等等。

一些实验研究在这一领域已经完成,作为显示,(例如9,10),但实际上越来越多的数值调查采用合适的方式进行为了克服计算限制和正确描述流模式的复杂性(11]。在这工作,试图预测数值的细节都负责的速度场和温度场传热增强在水中强制对流和量化方面的有效改善传热速率分析随之增加的损失。

使用人工粗糙的形式重复肋骨被发现是一种有效的方法来提高强制对流传热率,所指出的几位调查人员12- - - - - -16]。积分的肋骨在传热表面生成和他们的角色由打破墙附近的层流底层和创建本地动荡。这样,传热增强的目标是通过减少热阻。增强,由于改善了当地湍流引起的肋骨,明显高于部分通过鳍效应与紊流器的存在,所强调的李和Abdel-Moneim [17]。

另一方面,使用人工粗糙度产生更高的摩擦损失导致液体流经管道的重要权力需求和通道。因此建议促进该地区的强湍流只有非常接近传热表面,如在粘性底层,以生成一个最低打扰到核心流。这可能是通过保持高度的粗糙度元素与管道尺寸比较小(1]。

研究粗糙管和肋管可以追溯到尼古拉兹(18],Dipprey和Sabersky [19),开发了摩擦对热量和动量传递的类比相似定律在粗糙的管道流体流动,和韦伯等。20.)开发的传热和摩擦系数相关性的湍流管矩形肋重复粗糙度。他们调查了许多研究人员,应用不同的现代方法和工具。例如,Liou和黄14,15)使用一个实时激光全息干涉法(LHI)测量当地的平均传热系数和广场三角和半圆形的性能相比肋骨和显示square-ribs给最佳的传热性能。开发和充分发展的湍流,管道的传热和摩擦特性与肋骨紊流器两种截然相反的墙上的广场和矩形管都进行了广泛的研究,从实验的角度。

还在很多数值调查及其精度已随着计算机计算能力的提高和湍流模型。一些作者提供了数值研究的影响肋骨与空气导管和渠道,考虑不同的安排,在身高方面,紊流器的形状和方位21- - - - - -26]。尽管这些方法采用了复杂的湍流闭合模型,从two-equation大涡模拟(LES)模型的速度场,一个相当简单的湍流传热模型基于雷诺模拟,即热动量传输相似,通过紊流普朗特数,用于温度场。模拟表明粗糙度几何的重要性和球传热机制,与最佳无因次间隔8 - 14,所强调的Slanciauskas [27]。Liou et al。28)进行了对比实验和数值传热调查和行为在一个矩形通道的气流流向周期性肋骨安装在主体墙之一。他们得出的结论是,加速流动和湍流强度是影响传热系数的主要因素,他们发现最佳的传热系数增强沥青肋高度的比例等于10。劳et al。29日)实验证实最佳肋高度比等于9。因此,调查显示,不仅肋几何,而且其几何布置起到至关重要的作用在提高传热系数,指出,小王和Sunden [30.]。他们强调,当地的传热是强烈依赖于肋骨的形状,例如关于该地区只是下游的肋骨。然而,他们的研究结果在与安提供的结果31日)评估三角形形状的肋骨的最佳传热性能研究,在充分发达的政权。几种湍流模型及其最近提出的改进。Ryu et al。32,33)解决了Reynolds-averaged n - s方程,加上湍流模型和壁面治疗,有限体积法。他们研究了温度和流体动力行为与二维紊流流动的肋骨和粗糙表面的三维块中。元素是正方形,三角形、半圆形和波浪wall-shaped肋骨与无因次高度等于0.1,发现的最大阻力发生在距身高比例低于10。Chaube et al。34)确认的预测海温之间的良好匹配湍流模型和实验结果,他们强调了重要的增强传热相比,即使是表面光滑小雷诺数。

这项工作进行延伸调查(35)对二维通道与不同形状的肋骨。特别是,工作流体是水而不是空气,因为一些文献数据进行了。肋骨上得到校长的墙壁,恒定均匀热流加热。目前分析的主要目的是分析肋通道的流动和传热特性通过流利的代码v6.3 [36]。肋骨提供加热墙。大量的摩擦和热传递数据,对不同的无量纲值间距和高度与方形,矩形,梯形和三角形的肋骨,生成的雷诺数范围在20000年和60000年之间。

2。控制方程

计算流体动力分析的二维通道模型,提供不同形状的肋骨,在图1,被认为是为了评估其热和流体动力行为研究温度和速度场。一个恒均匀热流作用在外部通道的墙上。不同入口速度的范围被认为是动荡的政权和恒定的工作流体是水属性。

控制方程的连续性、动量和能量是解决稳态湍流在直角坐标系中,稳定状态的假设下,二维,不可压缩,沧桑,不变的属性流条件: 在哪里的总能量,,偏应力张量,定义为 剪切应力传输(SST)采用湍流模型,方程形式报告如下,由表示“状态”(37]: 在哪里湍流动能的产生是由于平均速度梯度,代表了一代: 与 在哪里运动粘度湍流和吗一个模型常数;是由 在哪里。 和是由 在哪里。High-Reynolds数字形式,。和代表的有效扩散系数和: 在哪里和紊流普朗特数吗和分别 和是湍流粘度,计算的 的系数抑制了湍流粘度。它是由 在哪里,,,。High-Reynolds数字形式。混合方程是由 在哪里下表面,是距离吗是积极的部分交叉扩散项。

和代表的耗散和由于湍流: 与和模型常数;此外 代表了交叉扩散项和是可能的来源。特别是,是由 总结了模型常数1。在激烈的墙壁采用一个二维传导模型和方程的稳态机制 工作流体是水和指定的边界条件如下:(我)进口部分:统一的速度和温度曲线,(2)出口部分:流出,(3)管墙:速度等于零组件,(iv)外部管墙:统一的热流。

3所示。几何配置

二维模型,图中所示1,代表着一个通道长度,等于250毫米,而它的高度设置等于10毫米和宽度是1000毫米;水力直径等于20.0毫米。3毫米厚壁是由铝和一个常数热通量等于10 kW / m²已经应用于外部表面。正方形,长方形,三角形和梯形肋安装在内部主要墙壁和他们具有不同的几何比率数据中所描绘的一样1 (b)和1 (c)。粗糙度参数由高度()、沥青()宽度()和紊流器的形状。这些参数确定几何相似的粗糙度和他们的家庭可以表达形式的无量纲参数如下:(我)相对粗糙度,,(2)相对粗糙度高,,(3)相对粗糙度宽度,。

摘要square-ribs矩形肋(和2.0)、三角肋骨(2.0)和梯形肋(等腰直角梯形)被认为是。雷诺数范围的无量纲粗糙度参数和工作在这个调查有如下:(我)雷诺数,(从20000年到60000年),(2)无量纲的粗糙度,(从4 - 20),(3)无量纲高度,(0.02和0.05)。

这里的无量纲参数,考虑, 在哪里和代表了壁平均温度和平均体积温度,分别。

4所示。数值模型

控制方程的有限体积方法的解决手段。工作流体是水和其属性被认为是常数。在表2值的密度、比热、导热系数和动态粘度,通过Rohsenow et al。38),。稳态解和segregrated方法选择解决控制方程,线性化的隐式方程的因变量。一个二阶逆风方案选择能量和动量方程。一个简单的耦合方案是选择一些压力和速度。的收敛标准10⁻⁵和10⁻⁸被假定为速度的残差组件和能量,分别。假设来流湍流在环境温度,K,和压力。不同的进气速度均匀,,等于0.85,1.28,1.70,2.13和2.56 m / s,对应于雷诺数从20000年到60000年,被认为是。此外,进口湍流强度值设置为1%。沿着固体墙壁没有使用滑动条件而速度进口和流出为进口和出口的表面条件。边界条件的数学形式给出了表3温度和速度和初始条件和,分别。

四个不同的网格分布测试,以确保计算结果与矩形网格独立通道肋骨,,,。他们有27000、55400、108100、189900和385000个节点,分别。每种情况的网格结构和优化考虑网格采用在旁边的墙壁上。选择网格分布的素描图2。第三个网格情况下采用,因为它确保一个好的机器计算时间之间的妥协和精度要求。事实上,第三和第四网配置相比,壁平均温度、质量加权平均出口温度,平均出口速度和压力下降,相应的相对误差是0.9%,分别为0.3%和1.5%。

结果验证通过比较获得的数值数据和文献的平均努塞尔数和摩擦系数,在光滑的通道和肋(3,22,39]。光滑的通道采用以下相关性和描绘在图进行了比较3。 为,; 与为,; 与为,; 为。

有很好的对应关系,鉴于平均努塞尔数的相关性,报道在图3(一个)而图3 (b)显示了小误差百分率的摩擦系数和良好的拟合与实验曲线。最多5%的差异比较结果与计算的Gnielinski相关性。比较与实验和数值数据用于水强制对流肋通道(3,22与矩形紊流器)(,,)报道。目前的结果,如图3 (c),很适合与实验数据相比,提高精度与以前的数值方法。

5。结果与讨论

研究的结果发表在形式的图形描绘的平均努塞尔数,摩擦因素和所需的泵功率在不同无量纲音高,高度和肋骨的形状、雷诺数、温度场和流线轮廓一些重大案件。肋骨的特点是方形,矩形、梯形和三角形形状的不同的值比率。

图4介绍了配置文件的比率为了描述传热速率提高肋配置与光滑通道。结果报告的函数比率为方形,长方形,三角形和梯形肋骨,等于0.05、30000和60000。在图4(一),观察到这个概要文件square-ribs最低价值的增加达到最大值,无因次距8;然后,它增加进一步减少螺距值。这种行为可能会注意到所有的考虑雷诺数;此外,比例会增加增加。事实上,,2.03,2.05为、30000和60000,分别。图4 (b)被称为矩形肋骨和显示的形状吗特点是更重要的元素比较热的表现。最大的值达到。三角肋骨表现出最高的热性能。Maxima是观察,在那里和2.58,因为和1.0,分别。检测到低努塞尔特数增加比率为梯形肋骨,这显示了最大值,像长方形的热性能略有改善。考虑配置,虽然rib-surface面积的增加,传热率并不生长在这样明显的方式;这个结果表明,增强的主要原因是强烈的湍流运动诱导的肋骨。

比例减少,减少粗糙的高度元素,报道在图5。事实上,对于,平均减少20 - 25%,平均努塞尔特数,观察到。Maxima是达到相同的无量纲值,先前报道。例如,在和2.07矩形梯形紊流器,在和0.05,分别。

的最高价值略低的平均努塞尔特数都表现出球,与结果相比空气作为工作流体,报道(35)而导致的摩擦系数得到证实,如图6,这显示了结果的摩擦系数的函数在、30000和60000等于0.05为不同的形状。广场紊流器显示在图6(一),对于摩擦系数比,指的是光滑的通道,增加快速相对粗糙度螺距增加;达到最大值的因素和进一步提高相对粗糙度的音高导致随之降低;这种效应类似于一个粗糙管中观察到在高雷诺数。最大的值观察矩形和梯形肋骨,8,三角形的,所有的雷诺数。获得了最高的值对应的三角形与长宽比紊流器,如图6 (c)。事实上,在11.7和11.8,三角紊流器和2.0,矩形的,分别。值最低的摩擦系数得到的矩形元素梯形的,所述数字6 (b)和6 (d)。

此外,摩擦系数,,减少无量纲高度降低,事实上,在,值低于的2 - 3倍,获得了肋骨。这种行为在图描述7这是指。最显著的差异是观察到的矩形和梯形肋骨,在报道的数字7 (b)和7 (d)。例如,对于矩形元素,等于10.8和3.8最多和0.02,分别为iso梯形肋骨,比率值是8.3和3.5。

是重要的强调,平均努塞尔数的最大值和摩擦系数在大约相同的值的获得比所有的考虑雷诺数为每个配置。此外,最高的摩擦系数值观察值附近的球场上,努塞尔特数字评价最高的地方。

图8描述了结果所需的泵功率,,定义为,指的是光滑的通道,因为和0.05和不同形状的紊流器。的概要文件遵循的,报道的。他们确认损失的发现被认为是最高的三角形元素和矩形的长宽比,观察数据8 (c)和8 (b)。此外,最大值达到同一的价值观,评估。

介绍了压电陶瓷指数以总结结果,给一个方法来评估和比较不同的元素的效率。如[3),它被定义为。报告结果的压电陶瓷指数图9,因为,和0.05,不同形状的紊流器。配置文件增加减少以及值。Maxima获得附近的球,平均努塞尔数的最大值,如三角紊流器和其他配置。虽然三角形肋骨展览最重要的损失,他们表现出压电陶瓷的最高价值指数。事实上,派克等于1.54和三角形的肋骨而最低值检测矩形的()。

平均努塞尔数的依赖雷诺数和摩擦系数呈现在图10。结果给出了在雷诺数从20000年到60000年与重要的信件比率。平均努赛尔数随雷诺数增加呈线性增长的所有配置,如图10 ()。最重要的热行为是由三角形肋通道而最低平均努塞尔数检测矩形肋情况。在平均努塞尔特数至少是1.8倍的价值计算光滑通道,大多数改进配置,计算大约2.6倍的增长。在图10 (b)它是注意到在低速度摩擦系数系数往往会增加,直到随着雷诺数的增加迅速。这个值的,概要文件似乎倾向于一个渐近,恒定值,称为完全的条件,这取决于粗糙度的高度。肋通道中的元素的引入收益率较高的摩擦系数。三角形的最高价值评估而最低检测矩形梯形的。在摩擦系数雷诺数等于60000是7倍的价值指的是至少光滑管和18次。

所需的泵功率随雷诺数增加呈线性增加超过如图(11日);此外,它等于约13倍光滑通道一个最多,至少8.5倍,如图11 (b)。

数据12和13描述interrib地区的流型和60000年不同的形状,如方形、矩形三角形,梯形的,为了清楚地表明涡流的形成,相邻肋稳定流动时的小场地。稳定后会发生4 - 5根肋骨,比如当涡结构倾向于重复几乎同样来自该区域。图12(一个)指的是行为较低的螺距比()square-ribbed通道和50000年。它的展品d型粗糙度行为:一个涡流困相邻肋骨和阻碍了传热。因此,外流动相对被粗糙的元素。这封信d表示重要的长度范围,与边界层厚度、通道水力直径或通道高度。压力下降相对较高,传热增强低。类似的行为是其他的形状检测肋骨如图13(一)很明显,流动困难也渗透进细胞内两个相邻的肋骨间,除了三角形元素的截留液,由于相邻紊流器,却降低了。此外,涡强度增加和比例增加所述数据12(一个)和12 (b)。

数据12 (b)和13(b)描述square-ribs流函数轮廓的和50000和矩形()、三角形(),iso梯形的分别为。他们澄清k粗糙度行为:的价值增加和流函数变化;的速度梯度减少沿流动方向和流动分离然后再植后6到8肋高度紊流器的下游。在这一点上,努塞尔特数预计将最大以及摩擦系数。的长度范围k是粗糙度值和涡流渗透大部分对边界层流动,促进一个更强烈的湍流混合。

图14报告无量纲温度场重大音高配置与广场、矩形()、三角形(),iso和矩形梯形肋骨,特点是。无量纲温度,,是由以下关系: 图14描述了温度场square-ribs,通常为配置,观察到的特征d型行为的价值等于4,k一个用于。在左边的图中,流体温度非常高紊流器,但背后的rib-wall时刻附近流体核心地区的影响不好,因为再循环压铸interrib区。为,比如一个配置的展品k行为,混合效果强和核心区域的平均温度也较高;结果,平均温度的液体和墙之间的差异减少和传热机制变得更加高效,也描述为矩形(),iso和矩形梯形紊流器在。三角元素展示最好的热性能也较低的音调值相比与其他形状,如;事实上,低的值不严重影响传热机制,因为水电导率和粗糙的几何元素,注意到紊流器其他形状的。此外,数据显示,温度最低的迎风面肋,在背风面和最高,而热通量最高最低的正面和背面的脸。

6。结论

摘要肋通道与广场,长方形,三角形、梯形紊流器,分析了具有不同几何比率和高度通过流利的代码。外墙是由恒热流加热和紊流流态。由调查的目标找出最优肋骨在不同雷诺数,距20000年到60000年之间,以确保最大的传热速率和控制损失。

模拟显示,最大平均努塞尔特数字通信中发现比率等于6、8和10,三角形,广场,分别为矩形和梯形的肋骨。平均努塞尔特值随着雷诺数和数量成长,他们最多等于2.6倍大于光滑通道的结果。此外,摩擦系数是最高的矩形,梯形和square-ribs三角形的显示的最大值;它增加和以及所需的泵功率增加。为检测到一个渐近行为。最重要的热性能提供三角肋骨检测到,而最弱的为矩形目前最低的摩擦系数值,另一方面。最后,给出温度场和流函数轮廓以可视化温度分布和流动模式的存在d型和k粗糙度的行为也为三角形的肋骨。

命名法

:	横截面面积(m2)
:	热扩散系数(m2/秒)
:	比热(J / kgK)
:	水力直径(米)
:	肋的高度(米)
:	摩擦系数(方程(3所示。3))
:	通道高度(米)
:	传热系数(W / m2K)
:	通道长度(米)
:	努塞尔特数(方程(3所示。2))
:	压力(Pa)
:	肋骨间距(m)
:	抽运功率(W)
:	普朗特数
:	热通量(W / m2)
:	雷诺数(方程(3所示。1))
:	管厚度(m)
:	温度(K)
:	分速度(米/秒)
:	通道宽度(米)
:	罗纹宽度(米)
,:	空间坐标(m)。

希腊符号

:	导热系数(W /可)
:	动态粘度(Pa)
:	密度(公斤/米3)
:	紊流普朗特数
:	壁剪切应力(公斤/米)
:	运动粘度(m2/ s)。

下标

:	环境
:	平均
:	流体
,:	组件
:	进口部分
:	质量
:	出口部分
:	光滑的
:	固体
:	动荡不安的
:	墙。

承认

这项工作是由太阳2008年格兰特和通过MIUR Articolo D.M. 593/2000大人物Laboratori“EliosLab”。