流量攻击角度和流量的影响方向传热速率、压力损失和热性能与V-Wavy表面热交换器管

文摘

流动和传热特性的数值调查V-wavy表面的热交换器管。有限体积法的选择简单的算法来解决当前问题。流攻角的影响(α= 15°20°,25°30°35°,40°、45°,50°,55°,60°)和流动方向(V-tip指向下游称为“V-Downstream”和V-tip指向上游称为“V-Upstream”) V-wavy表面的流动和传热模式被认为是层流和湍流区域。研究了层流政权范围Re = 100 - 1200,而动荡的地区调查范围Re = 3000 - 10000。对流动和传热的机制在测试部分报告。数值结果表明,V-wavy表面变化的流动结构测试部分。产生的涡流是V-wavy表面。上的涡流扰乱热边界层传热表面传热和热性能增强的原因。V-wavy表面的最佳攻角流动为层流和湍流的政权结束。

1。介绍

热交换器的发展提高传热速率和热性能被发现在许多行业,如化工、汽车工业和制冷系统。传热速率的扩增和热交换器的热性能可以帮助节约能源和系统的运行成本。系统中增强传热速率的方法分为两类:主动和被动技术。活跃的技术需要额外的力量如振动增加供热系统的传热速率。积极的使用技术必须考虑的经济过程之间的额外的电力和热力性能的增加。被动技术是旋涡发生器的安装或紊流器加热系统产生涡流和打扰的热边界层传热表面。

许多研究人员分析了传热速率的增加在使用紊流器热交换器。调查流动配置和传热特性在管/通道换热器进行实验和数值研究。例如,陈等人。1数值和实验研究了冲击射流的流动和传热与V-ribs阵列目标和撞击盘子。三种不同情况下V-ribs撞击和目标板,V-ribs放在防冲板,V-ribs放置在目标板上比较Re = 15000 - 35000。他们报告说,努塞尔特数最高的比率大约是1.16 V-rib放在防冲板和两个盘子。金等。2]的热工水力性能提出了太阳能空气加热器安装交错吸收板上的多个v型肋骨。他们得出的结论是,交错布置给努塞尔特数和热性能高于内联安排约26%和18%,分别。他们还表明,最大的热力性能大约是2.43。托等。3]研究了传热、压力损失和热性能在一个矩形管放置多隙第五肋骨结合交错肋骨上墙。pitch-to-height比率的影响,肋骨height-to-hydraulic直径比,和流攻角对流动和传热考虑Re = 4000 = 12000。他们总结,最大扩增努塞尔特数和热工水力性能在3.34和2.45倍,分别。Kumar和金4]报道的影响离散multi-V-rib太阳能空气通道的交错肋传热和热性能的数值方法。他们发现的整体热力性能离散multi-V-rib交错肋骨的形状是高于其他肋骨的形状在6%左右。Maithani和赛5)实验研究提高太阳能空气加热器的传热速率与湍流子管。与对称V-ribs缺口被选来增强传热速率和热性能。差距的影响数,相对间隙宽度、相对粗糙度,攻角和相对粗糙度高传热和压力损失被认为是Re = 4000 - 18000。他们报告说,最大的努塞尔特数和摩擦系数约为3.6和3.67倍高于光滑管,分别。Kumar和金6)数值研究了空气管的传热和流动机制与各种v形肋骨。他们得出结论,找到最佳的热性能的v形肋与槽粗糙度的形状。方等。7)调查了一个正方形的湍流信道与v型肋骨放在一堵墙。气流攻角30°、45°60°、90°,v型肋,比较。Promthaisong et al。8数值研究了流体流动和传热特性在一个方形通道换热器与离散V-ribs破裂。他们声称离散破碎V-ribs能引起的纵向涡流扰乱热边界层传热表面传热增强的原因。金等。9)数值研究了太阳能空气加热器传热和流动行为与multi-V-shaped肋骨通道吸收板。他们发现最优热性能大约是1.93。他们还提出,multi-V-shaped肋骨帮助更好的流体混合管进行测试。亚伯拉罕和Vedula [10]介绍了传热和压力损失在正方形横截面通道融合与v型和w型肋骨Re = 5000 - 35000。拉维,赛11]显示太阳能空气加热器管的对流换热与离散multi-V-shaped交错肋骨两侧的吸收。相对交错肋间距的影响,相对交错肋骨尺寸,和相对粗糙度宽度对传热和压力损失在测试部分研究了Re = 2000 - 20000。他们发现最大努塞尔特数和摩擦系数在光滑管的4.52和3.13倍,分别。

波浪表面总是选择有助于改善传热速率和fin-and-tube热交换器的热性能12- - - - - -18]。波浪表面有助于更好的流体混合和流的涡强度增加,导致传热和热性能换热器的发展。Boonloi和Jedsadaratanachai19,20.]报道的影响V-wavy板在一个正方形通道换热器热工水力性能。他们声称V-wavy板的插入可以增加传热速率和热性能与温和压力损失处罚。Jedsadaratanachai和Boonloi21]提出了倾斜和镀V-wavy圆管层流政权供暖系统,Re = 100 - 1200。他们发现V-Upstream波浪表面执行微软最高约2.4 = 2000。Jedsadaratanachai和Boonloi22)数值研究波浪高度和波浪的影响V-wavy板的厚度圆管换热器传热速率,摩擦损失和热性能。他们得出的结论是,最优波浪高度和波浪厚度约0.10 d - 0.15 - 0.15 d和d - 0.20 - d,分别。

按照上面的文献回顾中,发现v型湍流器给高热效率,而波浪表面紊流器,可以很容易地制造工业体系。在目前的调查,v型湍流器的概念结合波浪表面被称为“V-wavy表面”。V-wavy表面插入中间的圆管换热器提高传热速率和热性能。流的影响攻击角度和安排V-wavy表面加热管的传热和流动行为被认为是对层流和紊流政权。给出了层流Re = 100 - 1200,而湍流政权Re = 3000 - 10000执行。V-wavy表面可能会给高的热性能和传热速率同样的v型湍流器。此外,V-wavy表面的生产和安装加热系统更容易比v型肋或挡板。

2。物理模型

圆管式热交换器插入V-wavy表面被描绘成图1。管的直径,D将0.05米左右。圆管的长度周期性模块配备V-wavy表面创建D。流的影响攻角(α= 15°20°,25°30°35°,40°、45°,50°,55°,60°)和波浪表面安排(V-Downstream和V-Upstream)传热和压力损失被认为是对层流(Re = 100 - 1200)和湍流(Re = 3000 - 10000)政权。广场概要(0.2×0.2 d)波浪表面设置的所有调查情况。

3所示。数学基础和数值方法

圆管式热交换器的数学模型与V-wavy插入表面是由连续性,navier - stokes方程,能量方程。对层流政权,执政和幂律方程离散的能量和苏计划,分别。所有控制方程离散的苏政权的紊流数值模式。目前的调查回答的有限体积方法的简单算法。的解决方案被认为是聚合时归一化剩余价值小于10⁻⁵所有的变量,但小于10⁻⁹只对能量方程。

的可实现的k-ε湍流区域湍流模型写成 和 在哪里 和常量值如下:

雷诺数的重要参数、摩擦因素,局部努塞尔数,平均努塞尔数,和热增强因子。

计算雷诺数

摩擦系数, ,由压降测量, ,在周期性的模块, :

当地的传热是写成

平均努塞尔特数可以获得的

插入V-wavy表面增加传热速率和热交换器的压力损失。因此,热性能的热增强因子(微软)提出了分析V-wavy表面的优势。

计算的热增强因素是增加传热和摩擦系数在一个类似的抽运功率条件:

和努塞尔特数和摩擦系数对光滑圆管,分别。

4所示。边界条件和假设

目前调查的假设如下:(我)流动和传热稳定在三维空间中(2)测试液体空气在300 K的普朗特数约为0.707(3)空气是设置为不可压缩流体在层流和湍流流动(iv)空气的热特性假设在平均体积平均温度是常数(v)强迫对流换热是,而忽略自然对流和辐射(vi)身体力量和粘性耗散是无数的

计算域的边界条件在层流和紊流流动都总结表1。

5。数值验证

网格细胞的不同的数字80000、120000、180000年、240000年和360000年的计算域与波浪V-surface换热器管插入(α与Re = 600 = 30°, V-Downstream层流和紊流Re = 6000)比较流动和传热。发现网格单元的增加从120000年到180000年努塞尔特数没有影响,摩擦系数值。因此,周围的网格创建120000个细胞对所有调查情况考虑解决问题的时间和精度的结果。

的计算域没有波浪表面的光滑圆管流动和传热进行验证。检验完成通过比较目前预测的值和值之间的相关性。数值结果表明,努塞尔特数上的偏差在±0.03±5%为层流和紊流,分别在±0.05%,±11%的摩擦系数,分别。验证的光滑圆管层流和湍流政权描述成数字2和3,分别。计算域的初步试验,可以得出结论,目前的计算领域有足够的可靠性预测流动和传热的换热器管配备V-wavy表面层流和湍流政权。

6。数值结果

数值结果分为两个部分:层流和紊流政权。配置和流动传热特性的测试区。管式热交换器的性能评估配备V-wavy表面也总结道。

6.1。层流

但是。流动和传热的配置

换热器管中的流动机制配备V-wavy表面方面的报道λ₂等值面,切向速度矢量在横向平面和纵向涡流动。数据4(一)和4 (b)显示了λ₂等值面在换热器管配备V-wavy表面V-Downstream和V-Upstream分别在Re = 600α= 30°。的λ₂等值面是一个指标来描述涡流在测试的核心部分。如数据所示,漩涡核心检测通过试管的安排。V-Downstream,漩涡核心出现在v型槽的侧壁前V-tip流到下一个模块。V-Upstream,幻灯片的v型槽流V-tip前侧壁流动到下一个模块。涡流的强度取决于气流攻角,雷诺数和流向。

切向速度矢量在换热器管的横向飞机配备了V-wavy表面数据5(一个)和5 (b)分别V-Downstream和V-Upstream Re = 600α= 30°。如数据所示,涡流通过测试发现部分安排。包括四个主要流动涡核。考虑上一双每架飞机的涡流,反向旋转的流与common-flow-up V-Downstream,发现虽然V-wavy表面流的差异旋转。流结构的差异导致的变化在换热器管传热行为。

数据6(一)和6 (b)显示的纵向涡流换热器管插入V-Downstream和V-Upstream V-wavy表面,分别在Re = 600α= 30°。如数据所示,指出V-wavy表面排列的差异影响流动结构的变化。V-Downstream产生撞击流V-tip v型槽的侧壁上,而V-Upstream执行上的撞击流V-tip v型槽的侧壁。

换热器的传热行为与V-wavy管插入报告表面的温度分布在横向飞机和当地努塞尔特数分布在管壁上。热交换器的温度分布在横向平面管插入与V-Downstream和V-Upstream波浪表面数据7(一)和7 (b)分别V-downstream和V-Upstream Re = 600α= 30°。如数据所示,发现V-wavy表面温度分布模式的变化安排。更好的流体混合时检测到插入V-wavy表面热交换器管。的低温流体(蓝色线)分发中心的平面,而高温的液体(红色线)在管壁附近执行更薄。传热表面的热边界层扰动也发现。更好的流体混合和热边界层扰动原因传热速率和热性能增强。的不同安排V-wavy表面热边界层的变化的影响。

数据8(一个)和8 (b)显示本地努塞尔特数分布的管壁与V-wavy表面换热器管插入V-Downstream V-Upstream,分别在Re = 600α= 30°。V-Downstream给下层的峰值传热表面的管的一部分,而V-Upstream提供最高的传热速率的左右部分管。

6.1.2。性能评估

在这一部分中,传热速率、压力损失,和热性能的结论的努塞尔特数(ν),摩擦系数(f),分别和热增强因子(微软)。数据9(一个)和9 (b)现在的变化(ν/ν努塞尔特数的比例₀),热交换器管插入的雷诺数与V-Downstream V-Upstream波浪表面,分别。一般来说,ν/怒₀当雷诺数的增加增加安排。雷诺数的提高(流体速度的增加)对涡流的强度直接影响。热边界层的扰动在传热表面明显提高雷诺数时检测到。Re = 1200产生的传热速率最高,而再保险= 100给出了相反的结果。目前V-wavy表面的加热管使传热速率大于光滑圆管(ν/怒₀> 1)。ν/怒₀大约是1.96 - -2.53和6.07 - -11.15 V-Downstream波浪表面Re = 100年和1200年,分别在1.72 - -2.30和7.23 - -12.11左右,分别为V-Upstream波浪表面。

数据10 ()和10 (b)说明的关系f/f₀换热器管插入的雷诺数和V-Downstream V-Upstream波浪表面,分别。一般来说,f/f₀增加时,增加了雷诺数对所有调查案件。摩擦系数值的峰值检测在Re = 1200,而再保险= 100给出了相反的趋势。插入V-wavy表面的摩擦损失执行高于没有波浪的光滑圆管表面在所有情况下(f/f₀> 1)。周围的气流攻角15°-25°可以帮助减少安排的供暖系统的压力。f/f₀V-Downstream波浪表面发现在8.89 - -12.21和28.57 - -71.32在100年和1200年,分别在9.29 - -13.03和31.16 - -70.81,分别为V-Upstream波浪表面。

数据(11日)和11 (b)显示微软与雷诺数的关系在不同气流攻角V-Downstream和V-Upstream波浪表面的热交换器管,分别。如数据所示,微软目前倾向于增加时提高雷诺数的安排。微软的Re = 100提供了最低的,当检测到最大的微软在Re = 1200。几乎在所有情况下,插入V-wavy表面的加热管进行热性能高于没有V-wavy表面的光滑管(微软> 1)。V-Downstream,微软目前约-2.87 0.86 -1.22和1.64,分别为= 100年和1200年。V-Upstream,微软目前大约是0.88 - -1.04和2.22 - -2.93 = 100年和1200年,分别。

数据12(一个)和12 (b)情节ν/ν的变化₀的气流攻角管式热交换器插入的V-wavy表面V-Downstream和V-Upstream安排,分别。考虑在Re = 1200,最佳ν/ν₀检测到的气流攻角V-Downstream 35°,同时为V-Upstream大约40°。

的关系f/f₀与攻角流换热器管插入V-wavy表面显示的数字(13日)和13 (b)分别为V-Downstream和V-Upstream安排。考虑在Re = 1200,最大摩擦损失的供暖系统检测到40°攻角流动的安排。

微软目前的关系与气流攻角与V-wavy表面加热管插入描绘成数字(14日)和14 (b),分别。如数据所示,发现V-Downstream的最佳攻角和V-Upstream波浪的表面30°和40°,分别。此外,可怕的攻角,使热力性能最低的安排,是60°V-wavy表面。

6.2。湍流

6.2.1。流动和传热的配置

数据(15日)和15 (b)画出λ₂等值面V-wavy表面的热交换器管插入V-Downstream和V-Upstream分别在Re = 6000α= 30°。安排的漩涡核心发现V-wavy表面的测试部分。流的配置几乎是发现层流流态,但涡强度不相等。

数据(16日)和16 (b)情节的切向速度矢量在横向平面换热器管插入V-Downstream和V-Upstream波浪表面,分别在Re = 6000α= 30°。如数据所示,V-wavy表面可以通过测试区的产生涡流。涡流有助于更好的流体混合靠近管壁的热流体和冷流体之间的中心试管。四个主要发现涡流动的安排。考虑在上层对涡流,V-Downstream波浪表面与common-flow-up创建反向旋转的流,而与common-flow-down V-Upstream波浪表面产生反向旋转的流。不同的流动结构的测试区不同的传热行为的影响。

数据(17日)和17 (b)报告中的纵向涡流测试区插入与V-wavy表面V-Downstream V-Upstream,分别在Re = 6000α= 30°。V-wavy表面的热交换器管产生纵向涡流通过测试区安排。波浪槽上的回旋流幻灯片从侧壁V-tip V-Downstream。V-Upstream产生回旋流,幻灯片上的波浪槽V-tip侧壁。漩涡流是一个重要因素,以增加传热速率和热性能由于涡流扰乱热边界层传热表面。

湍流动能(TKE)分布在横向平面换热器管配备V-Downstream和V-Upstream波浪表面绘制数据(18日)和18 (b)分别在Re = 6000α= 30°。高TKE插入时检测到的波浪V-surface换热器管的安排。

数据(19日)和19 (b)报告热交换器的温度分布在横向平面管配备V-Downstream V-wavy表面和V-Upstream安排,分别在Re = 6000α= 30°。如数据所示,插入的波浪V-surface管有助于更好的流体混合这两种情况下。温度较低的空气(蓝色线)从测试部分的中心管表面。空气的高温(红层)似乎更薄。

当地努塞尔特数分布在传热表面的热交换器管插入V-wavy表面创建人物20(一个)和20 (b)分别在Re = 6000α= 30°。V-wavy的存在表面换热器的传热速率提供了高于没有波浪的光滑圆管表面两种情况下。热边界层干扰的涡流从V-wavy表面创建。热边界层扰动、涡流和撞击流传热和热性能提高的重要因素。

6.2.2。性能评估

数据(21日)和21 (b)ν/ν的变化₀在不同气流攻角与雷诺数V-Downstream和V-Upstream波浪表面的热交换器管,分别。如数据所示,加热管与V-wavy表面传热速率高于光滑圆管的安排。ν/ν₀倾向于减少随着雷诺数对所有案件。Re = 3000执行传热速率最高,而再保险= 10000提供了相反的结果。ν/ν₀大约是5.20 -4.40 -7.00和3.40,分别为Re = 3000和10000 V-Downstream波浪表面。努塞尔特数约为5.35 - -7.40和3.40 - -4.60倍以上光滑管,分别在Re = 3000年和10000年的V-Upstream波浪表面。

的关系f/f₀与雷诺数的V-wavy表面在不同气流攻角管式热交换器中被描绘成数字(22日)和22 (b),分别。f/f₀高于光滑管在所有情况下,当插入V-wavy表面热交换器管。f/f₀提高雷诺数时略有增加。检测到的峰值摩擦损失在Re = 10000,而相反的趋势是在Re = 3000。f/f₀V-Downstream波浪表面的热交换器管大约是20 - 68和22 - 80,分别为= 3000和10000和大约20 - 80和22 - 110,分别为V-Upstream波浪表面。

数据23日(一)和23日(b)现在微软与雷诺数之间的关系与不同气流攻角V-Downstream和V-Upstream波浪表面的管式热交换器,分别。几乎在所有情况下,插入V-wavy表面的热交换器管提供了更大的热性能比光滑管(微软> 1)。微软目前减少增加雷诺数时由于摩擦系数的增加和减少的努塞尔特数的比例。检测到最大的微软在Re = 3000,而相反的趋势是在再保险安排= 10000。Re = 3000,微软目前大约是1.5 -2.0 -2.1和1.6,分别为V-Downstream和V-Upstream安排。

ν/ν的变化₀表面的气流攻角V-wavy管测试报告的数据(24日)和24 (b)分别为V-Downstream和V-Upstream安排。找到最优的帽子传输速率在气流攻角约30°-35°V-Downstream V-Upstream和大约40°-45°。考虑在Re = 3000,最低的努塞尔特数的值是检测到周围的气流攻角15°的安排。原因是15°V-wavy表面会产生涡流的强度最低。

f/f₀与气流攻角的V-Downstream和V-Upstream波浪表面测试部分描述为数字(25日)和25 (b),分别。如图所示,当前的最大摩擦损失问题是发现流攻角大约40°的安排。此外,低价值的气流攻角(约15°-20°)可以帮助减少压力损失在测试部分。

微软目前的关系与攻角流换热器管配备V-Downstream和V-Upstream波浪表面数据(26日)和26日(b),分别。尽管周围的气流攻角30°-45°给传热速率最高,它还提供了扩大供热系统的压力损失。因此,最优微软发现流攻角大约20°的同时安排在考虑Re = 3000。

目前的结果是与之前的作品相比23,24)的气流攻角45°,BR = 0.20,如数据(27日),27 (b),27 (c)传热速率、压力损失和热性能,分别。Jedsadaratanachai和Jayranaiwachira23]研究了传热速率和热性能与V-baffle管式热交换器插入管的中心。Jedsadaratanachai et al。24]报道了流动和传热机制与v型折流板换热器放置在管壁。如数据所示,V-Upstream波浪表面给最高的传热速率和压力损失。V-Upstream波浪表面执行几乎与V-Upstream挡板(微软的价值24]。

7所示。结论

调查在圆管流动和传热特性与V-wavy表面热交换器插入调查数字在三维空间中。层流和湍流流动与Re = 100 - 1200和Re = 3000 - 10000年分别被认为是目前研究。流量攻击角度和流量的影响方向V-wavy表面的流动配置和传热特性。按照数值结果,主要的研究结果可以得出如下。

V-wavy表面能产生干扰的涡流热边界层传热表面。热边界层扰动是引起传热和热换热器管的性能改进。

最优流层流攻角为30°和40°V-Downstream和V-Upstream波浪表面,分别,当考虑到微软。对于动荡的政权而言,最大的气流攻角V-wavy表面,使微软最高,是20°的安排。

命名法

D:	管直径
f:	摩擦系数
h:	对流换热系数,W m−2K−1
k:	热导率,W m−1K−1
ν:	努塞尔特数(= hD / k)
p:	静压,爸爸
公关:	普朗特数(Pr = 0.707)
再保险:	雷诺数
师:	温度、K
u我:	速度X方向,m s−1
:	平均速度的通道,m−1
α:	攻角,学位
微软:	(=ν/ν热增强因素0)/(/ f0)1/3)
ρ:	密度、公斤米−3
:	入口
0:	光滑的管
页:	抽运功率。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关这篇文章的出版。

确认

作者要感谢Assoc。博士教授Pongjet Promvonge建议。这个工作的资金支持国王蒙研究所的技术Ladkrabang研究基金(合同编号。KREF046006)。

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