板翅式换热器封头内部流场的测量与改进研究

摘要:利用粒子图像测速仪(PIV),对板翅式换热器封头结构改进前、后的流场进行了可视化研究分析。实验结果表明,原始封头内部的物流分配存在严重的不均匀性,采用添加打孔挡板之后的改进型封头,流场的不均匀性有了很大的改善。从实验对比分析中得出,当挡板小孔呈错排分布、开孔率沿挡板的中轴线向两侧逐渐增加、且总开孔率达到50%左右的时候,在相同的入口条件下,不均匀系数由原始封头的1210降至0209,最大流速与最小流速之比由23163降至1756。此研究结果对于板翅式换热器的优化设计具有重要意义。

板翅式换热器具有结构紧凑、传热效率高、便于通道布置和换热面积分配等特点。引起该类换热器整体效能下降的主要因素是由于封头设计不合理导致换热器内部的物流分配不均匀。本文在数值模拟[4]的基础上,提出在原始封头瓜皮结构的1/2高度处添加打孔挡板的结构改进方法。粒子图像测速仪(PIV)是一种利用颗粒成像方法测量瞬态流场的流动测量技术,通过在流体中播撒示踪粒子,根据图像处理技术分析粒子图像的位移而得到空间多点的速度矢量。虽然PIV技术已经应用于很多工程领域的流场测量,但目前国内外还没有将其应用于换热器内部流场的分析测量。

因此,本文考虑用PIV技术来研究板翅式换热器封头内部的流场分布特性,分析其对物流分配特性的影响规律,寻求最佳封头结构型式,从而改善换热器内部物流分配特性。由于实验条件的限制,不能直接采用低温工质进行实验,而且数值模拟证明,对于结构改进前、后的封头,低温工质和空气具有相同的流场变化趋势,因此本文采用空气替代低温工质进行实验。

实验设备及方案

风路系统图1是实验台的风路系统简图,该实验采用风机上游供气方式,通过孔板流量计测量供气量。孔板上下游各有一段等径直管作为稳定段。所有试件均采用有机玻璃,与原型呈1∶1比例制作,以保证该模型能够尽可能精确地反映原型的性能。

PIV系统本实验采用西安交通大学流体机械国家专业实验室的二维PIV测试系统,主要由集成式NdYag双激光器、630046型PIVCAM1030摄像机、同步器和图像数据分析系统等几部分组成。在运用PIV系统进行流动测量时,示踪粒子的选择和施放是获得理想测量结果的关键因素。实验采用Rosco1600烟雾发生器,安置在风机的入口处,使烟雾和气流一同进入风路系统,在管道中混合均匀后再进入封头进行测试,从而保证发烟方式满足实验要求。

实验希望观测到的封头流场区域为封头的半圆截面,而PIV片光源的照亮区域和CCD相机拍摄的流场范围有限,因此选择其观测视场为封头半圆截面的一半,测量封头长度方向上不同截面处的流场分布情况(见图1)。为了分析封头出口截面物流分配的不均匀性,引入不均匀系数S的概念。它揭示了实验数据的离散程度,S的绝对值越大,表示截面物流分配越不均匀。反之其分配就越均匀。不均匀系数按下式计算

式中:N代表截面数;vch(i)表示第i截面的流速;vave表示所有截面的平均流速。原始封头的测量结果由于封头结构的对称性,实验选取封头长度的一半,从中轴线到周边,依次选取11个截面,研究其流场分布情况。限于文章篇幅,仅选取如图2所示的截面11和截面6进行分析。

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