来流方向对百叶窗翅片‒后扩型涡产生器热工水力性能的影响

doi:10.12141/j.issn.1000-565X.220701

华南理工大学学报(自然科学版) ›› 2023, Vol. 51 ›› Issue (7): 12-20.doi: 10.12141/j.issn.1000-565X.220701

所属专题： 2023年机械工程

来流方向对百叶窗翅片‒后扩型涡产生器热工水力性能的影响

胡兴军罗雨霏张靖龙郭鹏王靖宇余天明

吉林大学汽车工程学院，吉林长春 130022

收稿日期:2022-10-25 出版日期:2023-07-25 发布日期:2023-04-04
通信作者: 胡兴军（1976-），男，博士，教授，主要从事汽车空气动力学研究。 E-mail:hxj@jlu.edu.cn
作者简介:胡兴军（1976-），男，博士，教授，主要从事汽车空气动力学研究。
基金资助:
国家自然科学基金资助项目(51875238);国家重点研发计划项目(2022YFE0208000)

Influence of Inflow Direction on Thermal-Hydraulic Performance of Louvered Fin-Common Flow Down Vortex Generator

HU Xingjun LUO Yufei ZHANG Jinglong GUO Peng WANG Jingyu YU Tianming

College of Automotive Engineering，Jilin University，Changchun 130022，Jilin，China

Received:2022-10-25 Online:2023-07-25 Published:2023-04-04
Contact: 胡兴军（1976-），男，博士，教授，主要从事汽车空气动力学研究。 E-mail:hxj@jlu.edu.cn
About author:胡兴军（1976-），男，博士，教授，主要从事汽车空气动力学研究。
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(51875238);the National Key R&D Program of China(2022YFE0208000)

摘要/Abstract

摘要：

为改善百叶窗翅片-扁管式热交换器（LFHE）的热工水力性能，将后扩型涡产生器（CFDVG）布置于LFHE冷却管表面，得到百叶窗翅片-后扩型涡产生器（LF-CFDVG）。考虑到主动进气格栅（AGS）的使用将引起热交换器芯部空气来流方向的改变，进一步研究了空气速度为3 m/s时来流方向对LF-CFDVG热工水力性能的影响。结果表明：受CFDVG出现后最小自由流面积减小、空气流速增大而导致的摩擦阻力增加以及CFDVG引起的压差阻力增大的影响，LF-CFDVG的压降Δp总是大于未布置CFDVG的LFHE（Baseline）。在来流方向角γ由0°增加到30°的过程中，受空气流速减小的影响，Baseline和LF-CFDVG中的压降Δp均减小，因此增加γ可降低空气流动阻力。与此同时，在CFDVG诱导形成的纵向涡输送的高速、低温主流对CFDVG间冷却管壁的冲击下，相较于Baseline，LF-CFDVG的对流换热能力显著增强。在γ由0°增加到30°的过程中，受空气流速及纵向涡强度、尺度减小的影响，Baseline和LF-CFDVG中的对流换热系数均减小，因此增加γ有损于换热能力。另外，在γ由0°增加到30°的过程中，LF-CFDVG的综合性能不断降低，因此增加γ不利于综合性能的改善。

关键词: 计算流体动力学, 来流方向, 百叶窗翅片-后扩型涡产生器, 热工水力性能

Abstract:

In order to improve the thermal-hydraulic performance of louvered fin and flat tube heat exchangers (LFHE), by arranging common flow down vortex generator (CFDVG) on LFHE’s flat tubes, this paper proposes louvered fin-common flow down vortex generator (LF-CFDVG). Then, considering the use of active grille air shutter (AGS) may change the inflow direction of air at the core of LFHE, the influence of inflow direction on the thermal-hydraulic performance of LF-CFDVG is further studied at the air velocity of 3 m/s. The results show that the pressure drop Δp of LF-CFDVG is always greater than that of Baseline (namely the LFHE without CFDVG) due to the impact of minimum free flow area reduction after the appearance of CFDVG, the increase in frictional resistance caused by the air velocity increment and the differential pressure resistance caused by CFDVG. In the process of γ (inflow direction angle) increasing from 0° to 30°, under the influence of air velocity reduction, Δp of both Baseline and LF-CFDVG decreases, so that increasing γ helps to reduce the resistance to air flow. At the same time, under the impact of high-speed and low-temperature main stream transported by the longitudinal vortices on the tube wall between CFDVGs, the convective heat transfer ability of LF-CFDVG is significantly enhanced, as compared with the Baseline. Moreover, in the process of γ increasing from 0° to 30°, the convective heat transfer coefficients of Baseline and LF-CFDVG both reduce due to the decrease of longitudinal vortex strength and scale, so that increasing γ impairs heat exchange ability. It is also found that the comprehensive performance of LF-CFDVG continuously decreases in the process of γ increasing from 0° to 30°. Thus, increasing γ is not conducive to the improvement of comprehensive performance.

Key words: computational fluid dynamics, inflow direction, louvered fin-common flow down vortex generator, thermal-hydraulic performance

中图分类号:

U461.8

胡兴军, 罗雨霏, 张靖龙, 等. 来流方向对百叶窗翅片‒后扩型涡产生器热工水力性能的影响[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2023, 51(7): 12-20.

HU Xingjun, LUO Yufei, ZHANG Jinglong, et al.. Influence of Inflow Direction on Thermal-Hydraulic Performance of Louvered Fin-Common Flow Down Vortex Generator[J]. Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition), 2023, 51(7): 12-20.

图/表 24

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参考文献 23

1	AWAIS M， BHUIYAN A A ．Heat and mass transfer for compact heat exchanger （CHXs） design：a state-of-the-art review［J］．International Journal of Heat and Mass Transfer，2018，127：359-380．
2	中华人民共和国生态环境部．中国移动源环境管理年报（2021）［EB/OL］．（2021-09-11）［2022-08-16］．．
3	WU J， LIU P， YU M，et al ．Thermo-hydraulic performance and exergy analysis of a fin-and-tube heat exchanger with sinusoidal wavy winglet type vortex generators［J］．International Journal of Thermal Sciences，2022，172：107274/1-18．
4	LOPES L D， YANAGIHARA J I ．Heat exchanger：US006079487［P］．2000-06-27．
5	LAWSON M J， THOLE K A ．Heat transfer augmentation along the tube wall of a louvered fin heat exchanger using practical delta winglets［J］．International Journal of Heat and Mass Transfer，2008，51：2346-2360．
6	DEZAN D J， SALVIANO L O， YANAGIHARA J I ．Interaction effects between parameters in a flat-tube louvered fin compact heat exchanger with delta-winglets vortex generators［J］．Applied Thermal Engineering，2015，91：1092-1105．
7	DEZAN D J， SALVIANO L O， YANAGIHARA J I ．Heat transfer enhancement and optimization of flat-tube multi-louvered fin compact heat exchangers with delta-winglet vortex generators［J］．Applied Thermal Engineering，2016，101：576-591．
8	PARK J， BYUN S， KIM D R，et al ．Frost behavior of a louvered fin heat exchanger with vortex-generating fins［J］．International Journal of Heat and Mass Transfer，2017，114：590-596．
9	HABIBIAN S H， ABOLMAALI A M， AFSHIN H ．Numerical investigation of the effects of fin shape，antifreeze and nanoparticles on the performance of compact finned-tube heat exchangers for automobile radiator［J］．Applied Thermal Engineering，2018，133：248-260．
10	DEZAN D J， SALVIANO L O，JENOVENCIO，et al ．Parametric investigation of heat transfer enhancement and pressure loss in louvered fins with longitudinal vortex generators［J］．International Journal of Thermal Sciences，2019，135：533-545．
11	JOARDAR A， JACOBI A M ．Impact of leading edge delta-wing vortex generators on the thermal performance of a flat tube，louvered-fin compact heat exchanger［J］．International Journal of Heat and Mass Transfer，2005，48：1480-1493．
12	LI J， DANG C， HIHARA E ．Heat transfer enhancement in a parallel，finless heat exchanger using a longitudinal vortex generator，part A：numerical investigation［J］．International Journal of Heat and Mass Transfer，2019，128：87-97．
13	LI J， DANG C， HIHARA E ．Heat transfer enhancement in a parallel，finless heat exchanger using a longitudinal vortex generator，part B：experimental investigation on the performance of finless and fin-tube heat exchangers［J］．International Journal of Heat and Mass Transfer，2019，128：66-75．
14	贾青，陈佳萍，杨志刚．基于气动减阻和散热需求的主动格栅优化设计［J］．同济大学学报（自然科学版），2020，48（2）：264-275．
	JIA Qing， CHEN Jiaping， YANG Zhigang ．Active grille shutter optimal design based on aerodynamic drag reduction and heat dissipation requirements［J］．Journal of Tongji University （Natural Science），2020，48（2）：264-275．
15	KIM M， YOUN B， BULLARD C W ．Effect of inclination on the air-side performance of a brazed aluminum heat exchanger under dry and wet conditions［J］．International Journal of Heat and Mass Transfer，2001，44：4613-4623．
16	HENRIKSSON L， DAHL E， GULLBERG P，et al ．Experimental investigation of heat transfer rate and pressure drop through angled compact heat exchangers relative to the incoming airflow［J］．SAE International Journal of Commercial Vehicles，2014，7（2）：448-457．
17	CAO X， WANG X， SONG Q，et al ．Experimental investigation on the heat transfer and pressure drop characteristics of R600a in a minichannel condenser with different inclined angles［J］．Applied Thermal Engineering，2021，196：117227/1-11．
18	ZHANG J， HU X， LUO Y，et al ．Effects of rectangular wing vortex generators on the thermal-hydraulic performance of louvered fin and flat tube heat exchanger［J］．Journal of Thermal Science，2023，32（2）：628-642．
19	SHAHSAVAR A， MORADI K， YILDIZ C，et al ．Effect of nanoparticle shape on cooling performance of boehmite alumina nanofluid in a helical heat sink for laminar and turbulent flow regimes［J］．International Journal of Mechanical Sciences，2022，217：107045/1-22．
20	沙拉，塞库利克．换热器设计技术［M］．北京：机械工业出版社，2010．
21	小约翰·D.安德森．空气动力学基础［M］．杨永，宋文萍，张正科，等译．北京：航空工业出版社，2014．
22	林建忠，阮晓东，陈邦国，等．流体力学［M］．北京：清华大学出版社，2013．
23	SONDAERBY S K， MIRHOSSEINI M， REZANIA A，et al ．Thermal-hydraulic performance of a corrugated cooling fin with louvered surfaces［J］．Energy Procedia，2017，142：4077-4084．

参数	定义	取值
L_t/mm	冷却管长度	604
W_t/mm	冷却管宽度	50
H_t/mm	冷却管高度	8
T_t/mm	冷却管厚度	0.45
φ/（°）	百叶窗翅片开窗角度	10
P_LF/mm	百叶窗翅片间距	2.75
T_LF/mm	百叶窗翅片厚度	0.1
H_LF/mm	百叶窗翅片高度	12
L_P/mm	百叶间距	3
L_LF/mm	百叶窗翅片长度	50
L_H/mm	百叶高度	10.5

来流方向角 γ/（°）	x轴速度分量 v_x /（m·s^-1）	z轴速度分量 v_z /（m·s^-1）
0	3.00	0.00
10	2.95	0.52
20	2.82	1.03
30	2.60	1.50

[1]	刘国勇, 张文鹏, 张铜鑫, 朱冬梅, 曾新喜. 大幅面SLM成型仓结构优化及其流场特性[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2023, 51(12): 53-63.
[2]	张艺瀚王平胡景丰. 不对称双体船非线性横摇阻尼及横摇运动分析[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2021, 49(7): 26-33.
[3]	应锐, 蒋劲, 李燕辉, 等. 内锥旋流器的流场特性及颗粒分级性能分析 [J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2020, 48(4): 95-103.
[4]	李文嘉王安麟孟庆华李晓田韩继斌. 液力变矩器动态循环流量的传递函数表征法[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2016, 44(7): 22-28.
[5]	袁显举郭孔辉. 半主动减振器用先导溢流阀的开度特性[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2015, 43(8): 91-98.
[6]	吴家鸣叶志坚金晓东张城玮徐灜. 水下潜器导管螺旋桨在转艏摆动中的推力特性分析[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2015, 43(12): 141-148.
[7]	张小英孙庆友乔磊卢冬华文青龙. 全结构的5 ×5 定位格架及棒束通道的三维流场分析[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2014, 42(12): 104-111.
[8]	王硕苏玉民杜欣. 滑行艇静水直航及波浪中运动的数值模拟[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2013, 41(4): 119-126.
[9]	刘佳鑫秦四成徐振元张奥习羽张学林. 基于CFD 仿真的车辆散热器模块传热性能对比分析[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2012, 40(5): 24-29.
[10]	闫军威刘洋周璇康英姿. 基于数值模拟的空调末端节能优化[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2012, 40(4): 144-149.
[11]	陈克复曾劲松冯郁成李军. 纸浆纤维悬浮液的流动和模拟[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2012, 40(10): 20-27.
[12]	曾劲松陈克复李军徐峻. 基于CFD的高浓漂白塔塔底S型卸料器的流场研究[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2011, 39(1): 24-29.
[13]	吴家鸣邓威赖华威. 回转状态下导管螺旋桨水动力特性的数值模拟[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2010, 38(7): 90-96.
[14]	张德满李舜酩门秀花. 单缸发动机消声器压力损失的CFD研究[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2010, 38(3): 129-132.
[15]	肖业祥郑爱玲韩凤琴丁二喜久保田乔. CFD 法研究多喷嘴冲击式水轮机的射流干涉[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2007, 35(3): 66-70.

来流方向对百叶窗翅片‒后扩型涡产生器热工水力性能的影响

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