CN113175841B - 一种涡流发生三角翼及涡流发生装置 - Google Patents
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Abstract
一种涡流发生三角翼及涡流发生装置，包括直角三角形的板体，板体斜边开设至少两个齿槽，各齿槽的开口方向垂直于板体一直角边。通过对部件结构的合理设置，比传统三角翼型涡流发生器的流动阻力更小，强化换热能力更高，最高强化换热比例可达16.348％，能够在强化同等温度下使用更少能量，达到节能降耗的目标；同时兼具加工方便，可采用模具冲压批量生产，原料耗量小。
Description
技术领域
本发明属于强化换热技术领域，具体涉及一种涡流发生三角翼及涡流发生装置。
背景技术
涡流发生器是一种应用广泛的被动强化换热元件，通过诱导涡旋的产生来减薄或破坏热边界层，进而提高避免附近的流动公职的流动混乱程度，促进避免流体与主流体相互混合，实现强化换热的目的，最早将涡流发生器应用到强化换热领域的是Johnson和Joubert，他们对带有恒定攻角的三角翼的圆柱表面交叉流进行了研究，结果表明，三角翼周围的换热得到强化，目前利用涡流发生器强化换热已经在电力、化工、冶金、建筑等领域被广泛应用，达到节能降耗的效果。
涡流发生器按其形状通常可分为翼型(三角形、矩形、梯形等)和绕流柱体型(圆柱体、椭圆柱体等)。翼型涡流发生器加工较方便、流阻小，但强化换热效果比绕流柱体型涡流发生器差，绕流柱体型涡流发生器的强化换热效果较好但加工较复杂，流阻较大。
发明内容
针对传统三角翼涡流发生器强化换热效果较差的问题，本发明的目的是提供一种涡流发生三角翼及涡流发生装置，通过对部件结构的合理设置，比传统三角翼型涡流发生器的流动阻力更小，强化换热能力更高，最高强化换热比例可达16.348％，能够在强化同等温度下使用更少能量，达到节能降耗的目标；另外兼具加工方便，可采用模具冲压批量生产，原料耗量小。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案包括：
一种涡流发生三角翼，包括直角三角形的板体，板体斜边开设至少两个齿槽，各齿槽的开口方向垂直于板体一直角边。
优选的，齿槽的底边与板体一直角边平行，且各齿槽的底边到板体一直角边的距离相等。
优选的，各齿槽等间距排布，且各齿槽底边长度等于相邻齿槽的间距。
优选的，板体的另一直角边的长度为L，板体的一直角边的长度为2L，板体的厚度为0.025L±0.003L；齿槽的底边到板体一直角边的距离与板体的另一直角边的长度之比为1:4，相邻齿槽(1-1)的间距为0.1L—0.3L。
优选的，相邻齿槽的间距为0.2L。
一种涡流发生装置，包括径向截面为矩形的矩形管道，矩形管道进口端到矩形管道出口端的内腔为流体域，还包括垂直设在矩形管道内底上的至少四个三角翼，三角翼为本发明公开的涡流发生三角翼；各三角翼呈n行两列矩阵排布，且矩阵以矩形管道内底中线为对称轴左右对称，n≥2且为自然数；
三角翼一直角边与矩形管道内底重合，各三角翼一直角边的锐角端到矩形管道内底中线的垂直距离小于各三角翼一直角边的直角端到矩形管道内底中线的垂直距离，各三角翼一直角边的锐角端到矩形管道进口端的垂直距离小于各三角翼一直角边的直角端到矩形管道进口端的垂直距离；两列三角翼一直角边的锐角端以对称轴左右对称，各三角翼底边与矩形管道内流体流向的夹角α∈[25°,35°]。
优选的，各三角翼呈五行两列矩阵排布，各三角翼底边与矩形管道内流体流向的夹角α为30°。
优选的，矩形管道内底长为21L，矩形管道内底宽为7L；对称轴任一侧相邻两个三角翼的间距为2.75L，其中，对称轴任一侧相邻两个三角翼的间距为对称轴任一侧相邻两个三角翼一直角边的锐角端间的直线距离；各三角翼分别与对称轴间的距离均为0.25L，其中，三角翼与对称轴间的距离为三角翼一直角边的锐角端到对称轴间的垂直距离；矩阵中靠近矩形管道进口端的两个三角翼到矩形管道进口端的距离为7.5L，其中，三角翼到矩形管道进口端的距离为三角翼三角翼一直角边的锐角端到矩形管道进口端间的垂直距离。
优选的，L的取值为20mm。
优选的，矩形管道进口端内腔流体的雷诺数为7000—19000。
优选的，矩形管道进口端内腔流体的雷诺数为13000。
与现有技术相比，本发明的优点为：
(1)本发明的涡流发生三角翼及涡流发生装置，通过对部件结构的合理设置，相比于传统三角翼应用在涡流发生器，具有更优的强化换热效果和更小的流动阻力；同时兼具加工方便，可采用模具冲压批量生产，原料耗量小。
(2)本发明的涡流发生装置，通过对部件结构的合理设置，比传统三角翼型涡流发生器的流动阻力更小，强化换热能力更高，能够在强化同等温度下使用更少能量，达到节能降耗的目标。
(3)本发明的涡流发生装置，通过对部件结构的合理设置，在矩形管道内壁面附近形成了更大的速度梯度，产生了更强的涡旋结构强度，提升了流体之间相互混合，相较传统三角翼型涡流发生器的强化换热比例高达16.348％，较大幅度的提升了设备性能，提高了空气的预热温度，能优化燃料的燃烧特性，节省燃料消耗量。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明的涡流发生三角翼的结构示意图；
图2为本发明的涡流发生装置的结构示意图；
图3为图1的尺寸示意图；
图4为图2的尺寸示意图；
图5为对比例中平均努赛尔特数Nu强化换热比例随锯齿间距D变化的规律；
图6为对比例中综合换热系数(综合换热因子PEC)强化换热比例随锯齿间距D变化的规律；
图7为对比例中雷诺数13000时不同涡流发生器底部壁面努赛尔特数Nux分布；
图8为对比例中雷诺数为13000时涡流发生装置(D＝4mm)沿流向截面温度分布；
图9为对比例中雷诺数为13000时传统三角翼型涡流发生器沿流向截面温度分布；
图10为实施例2中雷诺数为13000且D＝4mm时单侧流线分布；
图11传统三角翼的结构示意图；
图中各标号表示为：
1三角翼；1-1齿槽；2矩形管道；3对称轴
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，是对本发明的解释而不是限定。
以下对本发明中的属于进行解释和说明：
努赛尔特数：努塞尔特数是流体力学中的无量纲数，以德国物理学家威廉·努塞尔特的名字命名，描述对流换热强度。
流体摩擦阻力系数：流体摩擦阻力系数是在计算流体沿直管流动的摩擦阻力时，所引入的一个无因次数群，流体摩擦阻力系数是雷诺数Re和管子的相对粗糙度的函数。
雷诺数:流体力学中，雷诺数是流体惯性力与黏性力比值的量度，它是一个无量纲数，雷诺数是一种可用来表征流体流动情况的无量纲数。
综合换热因子：为了综合考虑强化换热能力以及阻力损失，定义综合换热因子表达为：
式中，Nu—平均努塞尔特数；f—流体摩擦阻力系数；Re—雷诺数；Pr—普朗特数；Nu0—矩形光滑通道的平均努赛尔特数；f0—矩形光滑通道的流体摩擦阻力系数。
参考图1和图3，本发明的一种涡流发生三角翼，包括直角三角形的板体，其特征在于，板体斜边开设至少两个齿槽1-1，各齿槽1-1的开口方向垂直于板体一直角边；
其作用为：涡流发生三角翼整体呈锯齿形(板体斜边开设至少两个齿槽1-1，各齿槽1-1的开口方向垂直于板体一直角边)，相比于传统三角翼应用在涡流发生器，具有更优的强化换热效果和更小的流动阻力，同时兼具加工方便，可采用模具冲压批量生产，原料耗量小。
具体的，齿槽1-1的底边与板体一直角边平行，且各齿槽1-1的底边到板体一直角边的距离相等。
具体的，各齿槽1-1等间距排布，且各齿槽1-1底边长度等于相邻齿槽1-1的间距；
具体的，板体的另一直角边的长度为L，板体的一直角边的长度为2L，板体的厚度为0.025L±0.003L；齿槽1-1的底边到板体一直角边的距离与板体的另一直角边的长度之比为1:4，相邻齿槽1-1的间距为0.1L—0.3L。
其中，相邻齿槽(1-1)的间距优选为0.2L。
参考图2和图4，本发明的一种涡流发生装置，包括径向截面为矩形的矩形管道2，矩形管道2进口端到矩形管道2出口端的内腔为流体域，其特征在于，还包括垂直设在矩形管道2内底上的至少四个三角翼1，三角翼1为本发明公开的涡流发生三角翼；各三角翼1呈n行两列矩阵排布，且矩阵以矩形管道2内底中线为对称轴3左右对称，n≥2且为自然数；
三角翼1一直角边与矩形管道2内底重合，各三角翼1一直角边的锐角端到矩形管道2内底中线的垂直距离小于各三角翼1一直角边的直角端到矩形管道2内底中线的垂直距离，各三角翼1一直角边的锐角端到矩形管道2进口端的垂直距离小于各三角翼1一直角边的直角端到矩形管道2进口端的垂直距离；两列三角翼1一直角边的锐角端以对称轴3左右对称，各三角翼1底边与矩形管道2内流体流向的夹角α∈[25°,35°]；
其作用为：矩形管道2用于承载整个涡流发生装置，整体结构的设置，相比传统三角翼型涡流发生器的流动阻力更小，强化换热能力更高，能够在强化同等温度下使用更少能量，达到节能降耗的目标；同时在矩形管道2内壁面附近形成了更大的速度梯度，产生了更强的涡旋结构强度，提升了流体之间相互混合，相较传统三角翼型涡流发生器最大强化换热比例可达16.348％，较大幅度的提升了设备性能，提高了空气的预热温度，能优化燃料的燃烧特性，节省燃料消耗量。
优选的，各三角翼1呈五行两列矩阵排布，各三角翼1底边与矩形管道2内流体流向的夹角α为30°。
具体的，矩形管道2内底长为21L，矩形管道2内底宽为7L；对称轴3任一侧相邻两个三角翼1的间距为2.75L，其中，对称轴3任一侧相邻两个三角翼1的间距为对称轴3任一侧相邻两个三角翼1一直角边的锐角端间的直线距离；各三角翼1分别与对称轴3间的距离均为0.25L，其中，三角翼1与对称轴3间的距离为三角翼1一直角边的锐角端到对称轴3间的垂直距离；矩阵中靠近矩形管道2进口端的两个三角翼1到矩形管道2进口端的距离为7.5L，其中，三角翼1到矩形管道2进口端的距离为三角翼1一直角边的锐角端到矩形管道2进口端间的垂直距离。
其中，L的取值为20mm。
具体的，矩形管道2进口端内腔流体的雷诺数为7000—19000，且优选13000；
其作用为：相对于传统三角翼型涡流发生器的最高强化换热比例可达16.348％。
实施例1
本实施例公开了一种涡流发生装置，包括径向截面为矩形的矩形管道2，矩形管道2进口端到矩形管道2出口端的内腔为流体域，矩形管道2内底长为420mm，矩形管道2内底宽为140mm；
还包括垂直设在矩形管道2内底上的10个三角翼1，三角翼1包括直角三角形的板体，其特征在于，板体斜边开设至少两个齿槽1-1，各齿槽1-1的开口方向垂直于板体一直角边；齿槽1-1的底边与板体一直角边平行，且各齿槽1-1的底边到板体一直角边的距离相等；各齿槽1-1等间距排布，且各齿槽1-1底边长度等于相邻齿槽1-1的间距。板体的另一直角边的长度为20mm，板体的一直角边的长度为40mm，板体的厚度为0.5mm；齿槽1-1的底边到板体一直角边的距离与板体的另一直角边的长度之比为1:4，相邻齿槽1-1的间距D可选为1mm、2mm、3mm、4mm、5mm或6mm；
各三角翼1呈五行二列矩阵排布，且矩阵以矩形管道2内底中线为对称轴3左右对称；三角翼1一直角边与矩形管道2内底重合，各三角翼1一直角边的锐角端到矩形管道2内底中线的垂直距离小于各三角翼1一直角边的直角端到矩形管道2内底中线的垂直距离，各三角翼1一直角边的锐角端到矩形管道2进口端的垂直距离小于各三角翼1一直角边的直角端到矩形管道2进口端的垂直距离。
其中，各三角翼1底边与矩形管道2内流体流向的夹角α为30°，对称轴3任一侧相邻两个三角翼1一直角边的锐角端间的直线距离为55mm，各三角翼1一直角边的锐角端到对称轴3间的垂直距离为5mm，矩阵中靠近矩形管道2进口端的两个三角翼1一直角边的锐角端到矩形管道2进口端的垂直距离为150mm；矩形管道2进口端内腔流体的雷诺数可选为7000、10000、13000、17000和19000。
对比例
通过数值模拟方法建立试验模型，并通过试验模型对实施例1公开的涡流发生装置与传统三角翼型涡流发生器(即D＝0时)进行强化换热效果对比。
传统三角翼型涡流发生器的传统三角翼及其尺寸如图11所示，且传统三角翼在矩形管道内的分布情况与实施例1的涡流发生装置一致。
(1)平均努塞尔特数(Nu)对比测试
表1不同雷诺数以及不同D值时的平均努塞尔特数(Nu)测试值
如上述表1和图5所示的不同雷诺数以及不同D值下的平均努赛尔特数Nu对比相同边界条件下的三角翼型涡流发生器的强化换热比例随相邻齿槽1-1的间距D变化的规律，(需要说明的是，本发明实施例和对比例中的雷诺数均为矩形管道2进口端内腔流体的雷诺数)。可以从图中看出，平均努赛尔特数Nu的强化换热比例在较高雷诺数时，雷诺数分别为13000、17000和19000时，其对应的强化换热比例基本相同；当雷诺数为19000时，相邻齿槽1-1的间距D为4mm时，所对应的相比同边界情况的三角翼型涡流发生器强化换热比例最大，为16.348％。
(2)综合换热因子(PEC)对比测试
表2不同雷诺数以及不同D值时的综合换热因子(PEC)测试值
| Re＝7000 | Re＝10000 | Re＝13000 | Re＝17000 | Re＝19000 | |
| D＝0 | 1.62146 | 1.29359 | 1.15559 | 1.03358 | 0.94691 |
| D＝2mm | 1.82084 | 1.52251 | 1.3958 | 1.25589 | 1.15214 |
| D＝3mm | 1.77146 | 1.45182 | 1.33388 | 1.18831 | 1.08615 |
| D＝4mm | 1.84784 | 1.54094 | 1.4116 | 1.26866 | 1.16363 |
| D＝5mm | 1.74295 | 1.43927 | 1.30781 | 1.16872 | 1.07254 |
| D＝6mm | 1.74095 | 1.43349 | 1.30298 | 1.16522 | 1.06721 |
如上述表2和如图6所示的不同雷诺数以及不同D值下的综合换热因子PEC相比传统三角翼涡流发生器的强化换热比例，显示出不同雷诺数下综合换热因子PEC强化换热比例随相邻齿槽1-1的间距D的变化规律，在高雷诺数(Re＝13000、17000、19000)下其强化换热比例近乎相同，在不同进口雷诺数不同涡流发生器结构下，最大强化换热比例为进口雷诺数为19000时，相邻齿槽1-1的间距D为4mm时，其对应综合换热因子PEC强化换热比例为16.348％。
以上结果显示出本专利提出的新型涡流发生器相比传统三角翼型涡流发生器的优势，在强化换热的同时减小流动阻力，达到节能降耗的目的，有良好的工业应用前景。
(3)涡流发生器底部壁面努赛尔特数Nux分布对比测试
强化效果近似的情况下，选雷诺数较小的工况进行验证分析。因为雷诺数越高，入口流速越高，需要泵或风机的出口流速高，需要的电流越高，消耗的电能也越大。如上述结论中的高雷诺数(Re＝13000、17000、19000)下其强化换热比例近乎相同，因此选用雷诺数Re为13000，进行涡流发生器底部壁面努赛尔特数Nux分布的试验测试。
如图7所示，为进口雷诺数Re＝13000时，不同相邻齿槽1-1的间距D情况下涡流发生器底部壁面努赛尔特数Nux数分布情况，流体流动方向为从左向右流动。可以从图中看出在涡流发生器后部形成了强换热区，在涡流发生器后部两侧形成高Nux数区域，这是由于涡流发生器后部由于涡旋结构复杂，破坏了原有的流动边界层，减薄了局部的热边界层厚度，强化了局部的传热性能。本发明的涡流发生器的底面局部Nux数均比三角翼(D＝0)涡流发生器相同情况下强化换热能力强，其中当锯齿间距为D＝2mm，D＝4mm，D＝5mm，D＝6mm时底面Nux数较大。当锯齿间距较大时，D＝5mm和D＝6mm情况下，涡流发生器后部展向两侧有局部较低Nux数区域，其Nux分布的均匀性较D＝2mm和D＝4mm时的均匀性差，这可能由于涡流发生器所诱导的流向涡旋结构对壁面的扰动程度降低，其影响范围和强度较之更小。本发明涡流发生装置比传统三角翼型涡流发生器(D＝0)的底部壁面努赛尔特数Nux高，即发明涡流发生装置比传统三角翼型涡流发生器的强化换热能力强。
(4)沿流向截面温度分布对比测试
强化效果近似的情况下，选雷诺数较小的工况进行验证分析。因为雷诺数越高，入口流速越高，需要泵或风机的出口流速高，需要的电流越高，消耗的电能也越大。如上述结论中的高雷诺数(Re＝13000，17000，19000)下其强化换热比例近乎相同，因此选用雷诺数Re为13000，进行涡流发生器沿流向截面温度分布对比测试。
如图8为雷诺数为13000、相邻齿槽1-1的间距D为4mm的涡流发生装置沿流向截面温度分布，图9为雷诺数为13000时传统三角翼型涡流发生器沿流向截面温度分布。从图中看出，截面温度沿流向下游发展时，由于涡流发生器内三角翼1的扰动和混合作用，温度分布趋向均匀，高温区域沿流向发展逐渐扩散到流动主流区域。其高温区域分布除壁面附近以外，主要集中在涡流发生器诱导出的涡旋附近，形成了一个有高低温差区域，形成了一定温度梯度。本实施例的流向位置距离是指流向截面到矩形管道2进口端的距离。可以从图中看出在流向位置距离z＝200mm-420mm时，本发明的涡流发生装置较传统三角翼型涡流发生器后部的局部温度更高，低温区域范围更小；在流向位置距离z＝365mm和z＝420mm时，本发明的涡流发生装置较传统三角翼型涡流发生器在上壁面产生的高温壁面影响区域更小，这是由于涡旋结构破坏了原有的边界层结构，减薄了热边界层厚度，减小了壁面附近的传热热阻，根据傅里叶定律可知，壁面能更好的将热量从壁面传递给流体，从而增加了管内流体能带走的热量；在流向位置距离z＝420mm时，本发明的涡流发生装置较传统三角翼型涡流发生器的温度更高，这表明本发明的涡流发生装置对管内流体的强化换热作用更强。综上可知，本发明的涡流发生装置在形成高强度涡旋结构减薄热边界层和强化冷热流体的热量传递的能力更强。
实施例2
通过对比例的试验模型对实施例1的涡流发生装置的流场特征分析，依据流体力学相关理论，可得出如下分析结果：
如图10为雷诺数为13000、相邻齿槽1-1的间距D为4mm的涡流发生装置的单侧流线分布。可以从图中看出在左侧的三角翼1外边缘形成了正旋主流流向涡旋结构，流体流过相邻齿槽1-1间的空间时形成了一定的旋转运动，并随着流向的发展，与主流流向涡旋结构合并。由于三角翼1锯齿型涡旋结构的存在，形成了多剪切层结构，更好的形成了强烈的速度梯度分布，强化了涡旋的形成过程。锯齿翼型涡流发生器在降低了管道内流体阻力的同时提高了流向涡旋结构的强度，也减少了涡流发生器后部流体的回流现象，从而提升了流体的混合程度及强化换热能力。
以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所发明的内容。
Claims (4)
1.一种涡流发生装置，包括径向截面为矩形的矩形管道(2)，矩形管道(2)进口端到矩形管道(2)出口端的内腔为流体域，其特征在于，还包括垂直设在矩形管道(2)内底上的至少四个三角翼(1)，所述三角翼(1)包括直角三角形的板体，板体斜边开设至少两个齿槽(1-1)，各齿槽(1-1)的开口方向垂直于板体一直角边；所述齿槽(1-1)的底边与板体一直角边平行，且各齿槽(1-1)的底边到板体一直角边的距离相等；各齿槽(1-1)等间距排布，且各齿槽(1-1)底边长度等于相邻齿槽(1-1)的间距；所述板体的另一直角边的长度为L，板体的一直角边的长度为2L，板体的厚度为0.025L±
0.003L；所述齿槽(1-1)的底边到板体一直角边的距离与板体的另一直角边的长度之比为1:4，相邻齿槽(1-1)的间距为0.2L；
各三角翼(1)呈n行两列矩阵排布，且矩阵以矩形管道(2)内底中线为对称轴(3)左右对称，n≥2且为自然数；
所述三角翼(1)一直角边与矩形管道(2)内底重合，各三角翼(1)一直角边的锐角端到矩形管道(2)内底中线的垂直距离小于各三角翼(1)一直角边的直角端到矩形管道(2)内底中线的垂直距离，各三角翼(1)一直角边的锐角端到矩形管道(2)进口端的垂直距离小于各三角翼(1)一直角边的直角端到矩形管道(2)进口端的垂直距离；
两列三角翼(1)一直角边的锐角端以对称轴(3)左右对称，各三角翼(1)底边与矩形管道(2)内流体流向的夹角α∈[25°,35°]；
所述矩形管道(2)内底长为21L，矩形管道(2)内底宽为7L；对称轴(3)任一侧相邻两个三角翼(1)的间距为2.75L，其中，对称轴(3)任一侧相邻两个三角翼(1)的间距为对称轴(3)任一侧相邻两个三角翼(1)一直角边的锐角端间的直线距离；各三角翼(1)分别与对称轴(3)间的距离均为0.25L，其中，三角翼(1)与对称轴(3)间的距离为三角翼(1)一直角边的锐角端到对称轴(3)间的垂直距离；矩阵中靠近矩形管道(2)进口端的两个三角翼(1)到矩形管道(2)进口端的距离为7.5L，其中，三角翼(1)到矩形管道(2)进口端的距离为三角翼(1)一直角边的锐角端到矩形管道(2)进口端间的垂直距离。
2.如权利要求1所述的涡流发生装置，其特征在于，所述各三角翼(1)呈五行两列矩阵排布，各三角翼(1)底边与矩形管道(2)内流体流向的夹角α为30°。
3.如权利要求1或2任一所述的涡流发生装置，其特征在于，所述L的取值为20mm。
4.如权利要求3所述的涡流发生装置，其特征在于，所述矩形管道(2)进口端内腔流体的雷诺数为7000—19000。
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| CN202110468962.XA Active CN113175841B (zh) | 2021-04-28 | 2021-04-28 | 一种涡流发生三角翼及涡流发生装置 |
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| CN (1) | CN113175841B (zh) |
Family Cites Families (5)
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-
2021
- 2021-04-28 CN CN202110468962.XA patent/CN113175841B/zh active Active
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| Publication number | Publication date |
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| CN113175841A (zh) | 2021-07-27 |
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