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球窝作为一种小流阻的强化传热结构,在微型换热器中有较大的发展前景。该文采用实验与数值相结合的方法,研究层流条件下布置球窝结构的矩形通道内部的流动与换热特性,比较了不同球窝深度、不同Reynolds(雷诺)数对其强化换热特性的影响,并与光滑结构进行了对比。研究结果表明:随着Reynolds数的增加,换热效果逐渐增强。在3种Reynolds数(Re=500,1000,1500)工况下,在球窝深度直径比在0.1~0.2之间时,球窝内部均存在流动分离且分离点位于球窝中心之前,球窝换热特性最好,与实验得出深度直径比
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文章编号 应用数学和力学编委会ISSN
基 于 球 窝 结 构 冷 却 通 道 的 强 化
传 热 数 值 及 实 验 研 究
张荻郭帅谢永慧
西安交通大学 能源与动力工程学院 西安
摘要球窝作为一种小流阻的强化传热结构在微型换热器中有较大的发展前景该文采用实验
与数值相结合的方法研究层流条件下布置球窝结构的矩形通道内部的流动与换热特性比较了
不同球窝深度不同 Reynolds雷诺数对其强化换热特性的影响并与光滑结构进行了对比研究
结果表明随着 Reynolds 数的增加换热效果逐渐增强在 种 Reynolds 数
Re
工况下在球窝深度直径比在 之间时球窝内部均存在流动分离且分离点位于球窝中心之
前球窝换热特性最好与实验得出深度直径比为 时换热效果最好相吻合在同一 Reynolds 数
条件下随着球窝深度的增加其阻力特性逐渐降低综合热特性随着 Reynolds 数的增大呈现下降
趋势
关键词球窝换热数值模拟实验
中图分类号V文献标志码A
doi jissn
引言
传热冷却技术是当今能源动力领域研究的主要内容球窝球凸结构具有小流阻强化传热
的特点近几年来国内外学者对其强化传热特性进行了研究微通道内强化换热研究也逐渐增
多由于微通道内强化换热属于层流换热因此研究球窝在层流下换热具有非常重要的意义
Bearman 和 Harvey
早在 年就发现了在高尔夫球上的凹坑可以推迟边界层的分离
从而减小球的阻力Sherrow 等
研究了横流换热器管束的圆管外壁布置深浅球窝后的传热
与阻力特性Moon 等
通过实验研究了在矩形通道的一侧壁面上开设叉排球窝模型之后的传
热特性和摩擦损失Mahmood 等
研究了叉排球窝 d
的流动特性及传热特性结果
表明随着 Reynolds 数的变化Nusselt努塞尔 数 Nu 会有小的变化Elyyan 和 Tafti
研究了翅
片表面加凹坑结构的换热特性Xiao 等
对流体为层流流态下表面开设球窝结构的热特性进
行了研究FischerJuric 等
对微通道内布置胶状点滴的换热特性进行了研究MahmoodLi
grani 等
研究了通道两侧分别布置球窝球凸的换热特性Chang 等
提出一种全新的在六
应用数学和力学第 卷 第 期
年 月 日出版
Applied Mathematics and Mechanics
VolNoMar
收稿日期 修订日期
作者简介张荻女河南开封人副教授博士通讯作者Email zhang
dimailxjtuedu
cn
郭帅男陕西榆林人硕士生
谢永慧男湖南郴州人教授博士博士生导师
边形管道内壁面布置球窝球凸的强化传热管结构研究了不同的布置方式球窝球窝球凸
球凸球窝球凸对管道传热与阻力特性的影响同时给出了 Nusselt 数和摩擦因数的关联式
Park 等
通过实验研究了布置球窝 d
的湍流空气流动状态下的换热特性并且对
其进行了 k 模型 Reynolds 数从 到 的数值模拟这项研究提供了有球窝的内部
流动结构的发展以及随后对传热的影响Zhou 和 Acharya
研究了在旋转透平叶片上开设球
窝的换热特性国内学者蓝吉兵等
对微通道内球窝的换热特性进行了研究申仲旸等
对
不同球窝球凸结构的旋转通道的传热及阻力特性进行了研究张荻等
研究了二次球窝球
凸的流动控制及强化传热分析向飒
采用 CFD 软件对蜂窝板在不同板片间距凹坑直径
凹坑深度凹坑横向间距下进行了数值模拟研究
本文主要通过实验与数值模拟研究不同球窝深度在层流条件下的换热特性以及流动特
性研究确定了最佳球窝深度范围为未来确定球窝深度研究打下基础也为在微通道的强化
换热研究提供参考
实 验 研 究
本文为表面布置球窝结构的铜板换热研究搭建了相应的实验台图 所示为实验系统框
架图通道由进口段实验段稳流器尾部段组成进口段长度为 mm该长度能够保证流
体达到稳定状态在稳流器之前部分的通流管道由有机玻璃制成稳流器之后的通流管道是钢
化管道稳流器对流动起稳定作用稳流器之后是流量计用于测量流道中流体流量最后是压
缩机用于产生实验所用工质压缩机旁边设有调节阀用来调节流量本实验中流量对应即
Reynolds 数
图 1实验台框架图
FigSchematic of the test bench
实验段铜板表面有 个热电阻测点用来测量铜板表面的温度
数 值 模 拟
21几何与物理模型
本文通过对层流条件下不同深度不同 Reynolds 数下的顺排球窝模型的换热特性进行数
值模拟得出层流状态下传热规律随 Reynolds 数的变化特性和不同深度的球窝的变化特性具
张荻郭帅谢永慧
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weixin_38571104
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