圆管内置不同形状涡产生器管内流动特性的数值分析

圆管内置涡产生器是一种被动式的强化传热方式。涡产生器在管内诱导产生的二次流是强化传热的主要原因，而二次流强度受制于流动参数和涡产生器的结构参数。本文采用数值方法对圆管内置不同形状涡产生器的流动特性进行了研究。研究结果表明：不同形状涡产生器在圆管内产生的平均二次流强度和沿流动方向的局部二次流强度依次为等腰梯形涡产生器最强，直角梯形涡产生器次之，矩形涡产生器最弱；在传统扭带基础上裁除材料面积相同的条件下，涡产生器形状对管内流体的平均阻力系数和沿流动方向的局部阻力系数影响甚微。对比不同位置的二次流强度云图发现，与基带处相比，涡产生器在圆管内诱导产生了更强的二次流。内置不同形状的涡产生器后，管内流体的二次流强度分布和流线分布发生变化，与其余三种形状的涡产生器相比，等腰梯形涡产生器诱导产生的二次流更强。

管内插入扰流元件是常见的管内强化换热技术， 因为其成本相对较低， 工艺简单， 方便制造和安装， 并且可以有效地抑制污垢生成，有利于旧换热器的改造，所以在工程技术领域得到了广泛使用[1]。扭带是结构最简单的内插扰流元件，其强化传热的主要机理是扭带诱导管内流体产生了二次流，使得流体的流动方向发生了变化。二次流是指垂直主流方向平面上的流动，通常比主流速度小一个数量级，但可以明显强化对流传热，又不会过多地引起流动机械能的耗散，其主要原因是壁面上的阻力损失主要取决于主流在壁面法向方向的速度梯度，而不取决于二次流的梯度[2]。由于扭带在管内强化换热上取得的良好效果，学者们对二次流强度和对流换热的影响因素开展了广泛研究。Rindt 等[3]对Re = 500，Pr = 5 时， 壁温随轴向变化的螺旋盘管换热器的混合对流发展进行了研究，并与恒定壁温边界条件进行比较，分析了浮力对传热和二次流的影响。为了明确斜肋的流体流动结构及其对轴向传热分布的影响，Robert 等[4]对斜肋诱导产生二次流进行了实验和数值模拟，明确地证明了斜肋比传统横肋具有传热优越性。Pankaj等[5]、Sinha 等[6]和Khanjian 等[7]对矩形通道装有矩形和三角形纵向涡产生器对流体流动和传热特性进行了数值研究。结果表明，由于涡产生器产生强烈的二次流动，破坏了热边界层，加剧了通道壁面附近和中心之间的流体混合并导致传热的增强，且压力损失相对较小。Habibi 等[8]对由三个弯曲管道组成的扭曲管中的层流传热进行了数值模拟。讨论了雷诺数和管壁温度变化对二次流动拓扑结构的影响，以及它们与传热强化的一致性。Wu 等[9]采用实验的方法对换热管内流体流动与传热进行了可视化研究，分