換熱器封頭內(nèi)部流場測量與改進(jìn)

　　摘要：利用粒子圖像測速儀(PIV)，對板翅式換熱器封頭結(jié)構(gòu)改進(jìn)前、后的流場進(jìn)行了可視化研究分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，原始封頭內(nèi)部的物流分配存在嚴(yán)重的不均勻性，采用添加打孔擋板之后的改進(jìn)型封頭，流場的不均勻性有了很大的改善。從實(shí)驗(yàn)對比分析中得出，當(dāng)擋板小孔呈錯(cuò)排分布、開孔率沿?fù)醢宓闹休S線向兩側(cè)逐漸增加、且總開孔率達(dá)到50%左右的時(shí)候，在相同的入口條件下，不均勻系數(shù)由原始封頭的1 210降至0 209， 流速與 小流速之比由23 163降至1 756。此研究結(jié)果對于板翅式換熱器的 設(shè)計(jì)具有重要意義。

　　板翅式換熱器具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳熱效率高、便于通道布置和換熱面積分配等 點(diǎn)。引起該類換熱器整體效能下降的主要因素是由于封頭設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致?lián)Q熱器內(nèi)部的物流分配不均勻。本文在數(shù)值模擬[4]的基礎(chǔ)上，提出在原始封頭瓜皮結(jié)構(gòu)的1/2高度處添加打孔擋板的結(jié)構(gòu)改進(jìn)方法。粒子圖像測速儀(PIV)是一種利用顆粒成像方法測量瞬態(tài)流場的流動(dòng)測量技術(shù)，通過在流體中播撒示蹤粒子，根據(jù)圖像處理技術(shù)分析粒子圖像的位移而得到空間多點(diǎn)的速度矢量。雖然PIV技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于很多工程領(lǐng)域的流場測量，但目前國內(nèi)外還沒有將其應(yīng)用于換熱器內(nèi)部流場的分析測量。

　　因此，本文考慮用PIV技術(shù)來研究板翅式換熱器封頭內(nèi)部的流場分布 性，分析其對物流分配 性的影響規(guī)律，尋求 封頭結(jié)構(gòu)型式，從而改善換熱器內(nèi)部物流分配 性。由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，不能直接采用低溫工質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，而且數(shù)值模擬證明，對于結(jié)構(gòu)改進(jìn)前、后的封頭，低溫工質(zhì)和空氣具有相同的流場變化趨勢，因此本文采用空氣替代低溫工質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

　　風(fēng)路系統(tǒng)圖1是實(shí)驗(yàn)臺(tái)的風(fēng)路系統(tǒng)簡圖，該實(shí)驗(yàn)采用風(fēng)機(jī)上游供氣方式，通過孔板流量計(jì)測量供氣量。孔板上下游各有一段等徑直管作為穩(wěn)定段。所有試件均采用有機(jī)玻璃，與原型呈1∶1比例制作，以保證該模型能夠盡可能 地反映原型的性能。

　　PIV系統(tǒng)本實(shí)驗(yàn)采用西安交通大學(xué)流體機(jī)械 實(shí)驗(yàn)室的二維PIV測試系統(tǒng)，主要由集成式NdYag雙激光器、630046型PIVCAM1030攝像機(jī)、同步器和圖像數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)等幾部分組成。在運(yùn)用PIV系統(tǒng)進(jìn)行流動(dòng)測量時(shí)，示蹤粒子的選擇和施放是獲得理想測量結(jié)果的關(guān)鍵因素。實(shí)驗(yàn)采用Rosco1600煙霧發(fā)生器，安置在風(fēng)機(jī)的入口處，使煙霧和氣流一同進(jìn)入風(fēng)路系統(tǒng)，在管道中混合均勻后再進(jìn)入封頭進(jìn)行測試，從而保證發(fā)煙方式滿足實(shí)驗(yàn)要求。

　　實(shí)驗(yàn)希望觀測到的封頭流場區(qū)域?yàn)榉忸^的半圓截面，而PIV片光源的照亮區(qū)域和CCD相機(jī)拍攝的流場范圍有限，因此選擇其觀測視場為封頭半圓截面的一半，測量封頭長度方向上不同截面處的流場分布情況(見圖1)。為了分析封頭出口截面物流分配的不均勻性，引入不均勻系數(shù)S的概念。它揭示了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散程度，S的 值越大，表示截面物流分配越不均勻。反之其分配 越均勻。.

　　封頭的中軸線上且正對入口管。在y方向，此截面的物流分配極不均勻，即正對入口管的地方流速較大，上游流線平行流向出口，而偏離入口管的地方由于流體邊界形狀的突然擴(kuò)大，流動(dòng)狀態(tài)隨之發(fā)生急劇的改變，主流脫離邊壁而形成漩渦，流體在此處形成一個(gè)死區(qū)。漩渦會(huì)引起機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能，從而導(dǎo)致機(jī)械能的損失。而且，漩渦所消耗的能量較大，這是因?yàn)槌四Σ烈酝?，尚有漩渦與主流之間的質(zhì)量交換的緣故。

　　截面6偏離入口管，隨著截面離入口管距離的增大，小旋渦逐漸增大成為大尺度漩渦并向四周擴(kuò)散，而且沿流向拉伸明顯。可見，封頭內(nèi)部這部分流體主要依靠流體的漩渦運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散而來。這是因?yàn)榱黧w在出口截面橫向壓力梯度的作用下向封頭兩邊流動(dòng)，小部分流體剛好到達(dá)出口并沿著出口通道流出，大部分流體碰到邊壁，流動(dòng)受到阻礙，脫離邊壁形成漩渦并向周邊擴(kuò)散。

　　由以上的分析可知，對于改進(jìn)前的原始封頭，物流主要依靠流體形成的漩渦，利用出口截面上的橫向壓力梯度進(jìn)行分配。因此，入口管附近的地方流量大，而遠(yuǎn)離入口管的周邊截面流量偏小，不僅物流分配不均勻，而且流體形成的漩渦會(huì)引起較大的能量損失。因此，需要對此封頭進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造，使其出口截面物流分配均勻。

　　改進(jìn)型封頭的測量結(jié)果如文獻(xiàn)所述，在原始封頭瓜皮結(jié)構(gòu)的1/2高度處，添加一塊打孔擋板。擋板上的小孔直徑分別為小孔 10mm、中孔 20mm和大孔 30mm三種，由中軸線到周邊逐漸增大。流體到達(dá)孔板處流動(dòng)被阻礙，根據(jù)Bernoulli方程，此時(shí)壓力升高，形成一個(gè)橫向的壓力梯度，導(dǎo)致流體向周邊流動(dòng)，使得流體在到達(dá)封頭的出口之前， 已經(jīng)分配均勻。

　　改進(jìn)后的封頭截面11與改進(jìn)前相比，在Y方向上物流分配均勻，且流體的死區(qū)消失(見圖5)。中間正對入口管的出口截面改進(jìn)后的流速明顯降低，而偏離入口管的出口截面流速明顯增大。這是因?yàn)榭装逭械男】字睆?小，對來流產(chǎn)生的阻力 ，導(dǎo)致了一個(gè)橫向的壓力梯度，迫使來流向四周分布，而邊上的小孔孔徑比較大，使得分流來的流體順利通過，而且與改進(jìn)之前相比，孔板前來流的漩渦消失。這是因?yàn)樘砑涌装逯螅沟么颂幐叨葴p半，沒有足夠的空間形成漩渦。

　　截面6的流體主要依靠擋板截面的橫向壓力梯度分流而來。當(dāng)流體由擋板分流過來時(shí)，在擋板前面會(huì)形成一個(gè)明顯的漩渦，流體經(jīng)過擋板上的小孔分流之后，在y方向 體分布均勻，與改進(jìn)前相比，流體流線的方向發(fā)生明顯改變，直接從封頭出口截面的微通道流出。

　　從上述分析可以得出，封頭在添加打孔擋板之后，流體經(jīng)過擋板分配之后再流到各出口截面，流場的不均勻分配情況有了很大改善，不僅在封頭軸向，而且在出口截面的徑向上，物流分配的不均勻性均得到很大的改善。同時(shí)，各截面的流體漩渦與改進(jìn)前相比大大減少，因此由于湍流耗散引起的能量損失減少，這可以抵消一部分由于添加擋板而給封頭帶來的壓力損失，從而使得添加擋板之后，流體的壓力損失增加不大，滿足壓降對結(jié)構(gòu)改進(jìn)的限制。

　　2種不同封頭結(jié)構(gòu)在入口平均雷諾數(shù)均為60000時(shí)，沿封頭長度方向的物流分配情況。實(shí)驗(yàn)測量了11個(gè)截面，考慮到封頭結(jié)構(gòu)的對稱性，假定其內(nèi)部流場也是對稱分布，所以總的截面數(shù)為21。從圖7中可以看出，添加擋板之后的改進(jìn)型封頭物流分配的改進(jìn)效果明顯。對于原始封頭， 流速與 小流速之比為23 163，不均勻系數(shù)達(dá)到1 210，而對于改進(jìn)型封頭，中間截面流速明顯降低，兩側(cè)周邊截面的流速明顯提高。 流速與 小流速之比分別降為1 756，不均勻系數(shù)則降為0 209。

　　擋板結(jié)構(gòu)的確定從以上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，主要是由于擋板將入口管軸線附近的截面流速降低，從而提高了遠(yuǎn)離軸線的周邊位置的截面流速，達(dá)到在整體上改善截面流速均勻分布的目的。因此，有必要進(jìn)一步進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，選取合適的擋板結(jié)構(gòu)尺寸，達(dá)到物流均勻分配的 效果。

　　中孔面積比率的影響擋板的厚度和長度分別為5和600mm，三種小孔的孔徑如上節(jié)所述，且小孔均呈順排分布。根據(jù)原始封頭的速度分布， 10mm小孔的打孔區(qū)域?qū)?yīng)為封頭入口管截面。設(shè)A1、A2和A3分別代表孔板上小孔、中孔和大孔的總面積，本文主要考慮中孔面積比率A′=A2/(A1+A2+A3)與物流分配的關(guān)系。封頭入口平均雷諾數(shù)均為60000。

　　當(dāng)中孔面積比率為0 2、0 3、0 4時(shí)，封頭各截面的物流分配情況較之原始封頭都有了很大改進(jìn)。隨著面積比率的增加，三種孔板型封頭物流分配的不均勻系數(shù)分別為0 381、0 306和0 384?？梢?，當(dāng)中孔面積比率為0 3時(shí)，出口物流分配的均勻性 。因?yàn)殡S著中孔面積比率的增加，中孔數(shù)量逐漸增多，而大孔數(shù)量隨之逐漸減少，則擋板的打孔率逐漸減小。小孔數(shù)目的增加使流場變得 均勻，而打孔率的降低則增加了擋板對流體的阻力。因此，綜合考慮以上兩方面的因素，中孔面積比率為0 3左右，即中孔總面積占整個(gè)開孔面積的1/3是比較合適的。

　　擋板小孔布局的影響

　　擋板長度為670mm，三種小孔的尺寸同上。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，將擋板上小孔的排列方式由順排改為錯(cuò)排之后，不均勻系數(shù)由0 306降至0 209，出口的物流分配變得 均勻。因?yàn)榭椎呐帕杏身樑鸥臑殄e(cuò)排之后，擋板的開孔率增大，使得小孔數(shù)目增多，對物流均勻分配所起的作用也增大，從而使得封頭的不均勻系數(shù)降低。而且，擋板開孔率的提高(打孔率由順排的47%增大到錯(cuò)排的53%)，可以減小擋板對流體的流動(dòng)阻力，從而降低流體進(jìn)出口的壓力損失?？梢?，擋板上小孔的排列方式采用錯(cuò)排是比較合理的。

　　結(jié)　論

　　(1)利用PIV技術(shù)對改進(jìn)前、后封頭各處截面流場進(jìn)行測試，克服了以往單點(diǎn)測量方式工作量大、測點(diǎn)少等不足，在實(shí)驗(yàn)要求的二維平面流場中，約測量出了17000個(gè)測點(diǎn)的瞬時(shí)速度矢量值，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取快捷、 、精度高。

　　(2)從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，添加擋板之后的封頭改進(jìn)效果明顯。當(dāng)擋板上小孔呈錯(cuò)排分布、中孔面積占整個(gè)打孔面積的1/3、且打孔率沿封頭中軸線向周邊逐漸增加的時(shí)候，物流不均勻系數(shù)由原始封頭的1 210降至0 209， 流速與 小流速之比由23 163降至1 756。

　　(3)打孔擋板結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，易于加工安裝，對于板翅式換熱器的應(yīng)用研究和設(shè)計(jì)開發(fā)具有重要意義。