CN102645118B - 一种利用冲孔射流提高涡发生器强化换热效果的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了属于换热强化技术领域的一种利用冲孔射流提高涡发生器强化换热效果的方法。是在翼型或柱型涡发生器迎风面上适当位置开设孔洞，使得涡发生器前部分流体穿过孔洞，冲刷涡发生器背风面的流动死区或传热弱区，提高该区平均流速和动能，消除传热弱区，进一步提高涡发生器强化换热及流动减阻的效果和换热器效能；同时由于冲孔减少了涡发生器迎风面积和流动分离区范围，降低了涡发生器形状阻力，从而减小流动损失。此方法具有加工方便、制造简单和效果明显的特点，在气-液或气-气热交换器强化气侧换热方面有着广泛的应用前景和推广价值。

Description

一种利用冲孔射流提高涡发生器强化换热效果的方法
技术领域
本发明属于强化换热技术领域，特别涉及一种利用冲孔射流提高涡发生器强化换热的效果方法。具体说是在涡发生器迎风面上适当位置冲孔，引导涡发生器迎风面流体穿过孔洞，冲刷涡发生器背风面的滞止区（流动死区，同时也是传热弱区），提高该区平均流速和动能，消除传热弱区，进一步提高涡发生器强化换热效果和和流动减阻的效能；同时由于冲孔减少了涡发生器迎风面积，射流提高了背风面的流体流速和动能，缩小了流动分离区范围，使得涡发生器形状阻力（又称压差阻力）减少，从而降低了流动损失。
背景技术
利用涡发生器(Vortex Generator,以下简称VG)诱导涡旋强化换热是一种被动的、有目的的依靠产生二次流来减薄或破坏边界层或层流底层强化传热的方法，因其经济实用在强化气-液或气-气（汽）热交换设备气侧换热方面受到越来越多的关注。由于纵向涡旋在强化传热方面的积极效果，纵向涡发生器成为人们研究的焦点。主要以翼型、柱型纵向涡发生器为主。翼型涡发生器如三角翼、矩形翼、梯形翼、柱面翼在端部产生较强的纵向涡旋；柱型涡发生器（如方柱、圆柱、椭圆柱）还在根部产生较强的马蹄涡系，进而强化与壁面的对流换热。无论是翼型还是柱型涡发生器，由于其对流体的阻挡作用，在强化传热的同时也增加了流动阻力，并且在其尾（后）部由于流动分离存在一小段低速流动区域，又称滞止区或流动死区，该区由于流速较低，换热效果差，属于传热弱区，从而对利用涡发生器强化换热效果有负面影响。本发明提出的在涡发生器迎风面上适当位置冲孔引入射流的方法解决了这一问题，有力地消除了翼（柱）后死区，对于提高涡发生器强化传热效果有积极的作用；由于冲孔减少了涡发生器迎风面积和流动分离区范围，降低了涡发生器形状阻力，从而减小流动损失，对于提高换热器效能、节能节材有重要的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用冲孔射流提高涡发生器强化换热效果的方法，其特征在于，在涡发生器迎风面适当位置冲孔，引导涡发生器迎风面前相对于背风面的较高流速流体穿过孔洞，冲刷涡发生器背风面的流动滞止区，提高该区平均流速和动能，消除该传热弱区，进而提高涡发生器强化换热及流动减阻效果和换热器效能；由于冲孔减少了涡发生器迎风面积和流动分离区范围，降低了涡发生器形状阻力，从而减小流动损失。
所述冲孔的形状不限于圆孔，以便于加工为宜；其冲孔数量为一个以上，冲孔总面积为涡发生器迎流面积的0.1至0.5倍，具体依涡发生器迎流面积和流动状态而定，小雷诺数工况为大孔，大雷诺数工况为较小的孔，其效果好。
所述在涡发生器迎风面适当位置冲孔与涡发生器形式和安装方式有关，在高度方向上，冲孔的中心位于涡发生器高度中心线稍下位置，旨在流体穿过孔洞冲刷翼或柱背风面死区的同时不对涡发生器顶部诱发的纵向涡产生干扰影响；水平方向上，依涡发生器形式和安装方式而定，对于以45o攻角布置的矩形翼，孔洞中心在涡发生器水平居中位置；对于梯形翼或三角翼，靠近其较高立边一侧位置，因为翼背风面死区存在于此位置，而在较低立边侧存在较强的端部纵向涡，并且涡的位置较低，能够冲刷靠近壁面流体；对于柱型涡发生器，在类似位置冲孔。
所述涡发生器形式为三角翼、矩形翼、梯形翼、柱面翼、方柱、圆柱或椭圆柱中的一种。
本发明的有益效果是本发明的利用冲孔射流提高涡发生器强化换热和流动减阻效果的方法，使得涡发生器前较高流速流体穿过冲开的孔洞，冲刷涡发生器背风面的流动死区并提高该区平均流速和动能，有力地提高了该区流体与壁面的换热效果；在翼型及柱型涡发生器产生的纵向涡强化传热的同时，消除了由于设置涡发生器产生局部传热弱区的不利影响，进一步提高涡发生器强化换热效果和换热器效能；同时由于冲孔减少了涡发生器迎风面积和流动分离区范围，降低了涡发生器形状阻力，从而减小流动损失。此方法适用于利用涡流发生器强化传热领域，具有加工方便、制造简单、效果明显的特点。
附图说明
图1为几种涡发生器冲孔外形和结构示意图。
图2为梯形翼涡发生器冲孔射流强化换热示意图。
具体实施方式
本发明提供一种加工制造简单方便的利用冲孔射流提高涡发生器强化换热和流动减阻效果的方法。下面结合附图对本发明予以进一步说明。
如图1、图2所示的涡发生器的形状为a三角翼、b梯形翼、c矩形翼、d方柱体和e柱面梯形翼，但不限于这几种形状；在涡发生器迎风面1适当位置上冲开合适尺寸的孔洞2，该孔洞可以但不限于采用冲压、钻孔方法，但应穿透涡发生器壁面厚度，使得涡发生器迎风面1前相对于背风面3的较高流速流体穿过孔洞2，冲刷涡发生器背风面3的流动死区，同时也是传热弱区，提高该区平均流速和动能，消除传热弱区，进一步提高涡发生器强化换热效果和换热器效能；冲孔减少了涡发生器迎风面积和流动分离区范围，降低了涡发生器形状阻力，从而减小流动损失；
所述涡发生器长、高、厚度尺寸或比例依换热器形式和流道尺寸相应设计要求而定；其材料可采用但不局限于换热器本身材料或其它易切割、弯曲安装的材料（包括金属）。其材料耐温及其它性质应满足换热器允许工作条件的要求；
所述冲开孔洞位置与涡发生器形式和安装方式有关，在高度方向上，孔洞中心可位于但不限于位于涡发生器高度中心线稍下位置，旨在流体穿过孔洞冲刷翼（柱）后死区的同时不对涡发生器端（顶）部诱发的纵向涡产生干扰影响；水平方向上，可依涡发生器形式和安装方式而定，如对于以45o攻角布置的矩形翼，孔洞中心可在涡发生器水平居中位置；对于梯形翼或三角翼，可稍偏靠近其较高立边一侧位置（如图2所示），因为翼后死区存在于此位置，而在较低立边侧存在较强的端部纵向涡，并且涡的位置较低，能够冲刷靠近壁面流体；柱型等其它涡发生器可在类似位置冲孔；
所述涡发生器孔洞形状可以但不限于圆孔，以便于加工为宜；其大小依涡发生器迎流面积和流动状态而定，孔洞面积可为涡发生器面积的0.1至0.5倍，但不局限于此范围，对于流动雷诺数较低的工况，可取孔洞面积为大值；雷诺数较高时相反。所述涡发生器孔洞的数量可以是但不限于1个，如单个孔洞面积较小时可设置几个孔洞，多个孔洞的数量和布置以强化换热和流动减阻效果最佳为宜。

Claims (3)

1.一种利用冲孔射流提高涡发生器强化换热效果的方法，其特征在于，在涡发生器迎风面适当位置冲孔，引导涡发生器迎风面前相对于背风面的较高流速流体穿过孔洞，冲刷涡发生器背风面的流动滞止区，提高该区平均流速和动能，消除该传热弱区，进而提高涡发生器强化换热及流动减阻效果和换热器效能；由于冲孔减少了涡发生器迎风面积和流动分离区范围，降低了涡发生器形状阻力，从而减小流动损失；所述在涡发生器迎风面适当位置冲孔与涡发生器形式和安装方式有关，在高度方向上，冲孔的中心位于涡发生器高度中心线稍下位置，旨在流体穿过孔洞冲刷翼或柱背风面死区的同时不对涡发生器顶部诱发的纵向涡产生干扰影响；水平方向上，依涡发生器形式和安装方式而定，对于以45o攻角布置的矩形翼，孔洞中心在涡发生器水平居中位置；对于梯形翼或三角翼，靠近其较高立边一侧位置，因为翼背风面死区存在于此位置，而在较低立边侧存在较强的端部纵向涡，并且涡的位置较低，能够冲刷靠近壁面流体；对于柱型涡发生器，冲孔的中心位于涡发生器高度中心线稍下位置。 
2.根据权利要求1所述利用冲孔射流提高涡发生器强化换热效果的方法，其特征在于，所述冲孔的形状不限于圆孔，以便于加工为宜；其冲孔数量为一个以上，冲孔总面积为涡发生器迎流面积的0.1至0.5倍，具体依涡发生器迎流面积和流动状态而定，小雷诺数工况为大孔，大雷诺数工况为较小的孔，其效果好。 
3.根据权利要求1所述利用冲孔射流提高涡发生器强化换热效果的方法，其特征在于，所述涡发生器形式为三角翼、矩形翼、梯形翼、柱面翼、方柱、圆柱或椭圆柱中的一种。 
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