摘 要：旋流强化传热是通过有效地形成不稳定流和二次流以强化流体中微团混合及减薄边界层达到强化传热的目的。旋流的形式主要有衰减性旋流和非衰减性旋流两种。该文对于衰减性旋流强化传热性能进行了试验研究。通过试验和分析，研究了衰减性旋流的衰减、传热和阻力特性,以及不同衰减性旋流的生成方式对旋流强化传热性能的影响，研究结果为衰减性旋流强化传热方式在电厂锅炉和余热锅炉中的应用提供了有参考意义的结果。
关键词：旋流；强化传热；衰减特性
1 引言
旋流强化传热是通过有效地形成不稳定流和二次流以强化流体中微团混合及减薄边界层达到强化传热的目的。因为与无旋流动相比, 旋转流体通过旋流形成的切向速度分量会影响到流体的湍流混合, 在靠近壁面流体层中, 流体由于惯性力的作用将使流体的湍流混合加强[1,2]；而且在旋流情况下壁面合成速度也相对较大, 边界层的厚度也相对较薄, 从而提高了传热系数。
旋流的形式主要有衰减性旋流和非衰减性旋流两种。衰减性旋流一般是由放在流道进口的旋流器形成的，衰减性旋流的流体运动规律是在旋流器的出口处，旋流强度最大沿流体流动方向的旋流强度逐渐衰减。形成衰减性旋流的入口旋流器一般适用于短管换热器（l/d≤50~60）, 主要包括导叶式旋流器, 切向槽旋流器等。由于入口旋流器具有安装维修方便, 流动阻力较小等特点[3]。因此，对于电厂锅炉和余热锅炉中烟管式空预器等换热装置, 应用衰减性旋流器具有明显优势。前人虽对采用管内旋流的传热和阻力增加情况作过一定的研究[4~8], 但研究结果不尽一致, 有些认为由于阻力的增加比换热能力的增加要快, 因而采用旋流后总的热力性能指标无法提高；也有一些研究结果表明只要参数选择合理, 旋流强度选择合适, 还是可以得到较好的热力性能指标的。由于上述研究的管内旋流衰减速度较快，影响了其总体传热性能。因而本文提出利用管内内置同心管形成环形流道以减缓旋流的衰减，从而改善衰减性旋流的传热性能，有关这方面的研究还未见有报道。
本文重点对于环形流道内衰减性旋流强化传热性能进行了试验研究, 并对不同衰减性旋流发生方式及其综合热力性能做出评价, 得出了对于环形流道内衰减性旋流强化传热应用具有实际指导作用的研究结果，对于空气预热器性能改善设计具有指导作用。
2 试验装置及方法
本文采用的试验系统如图1所示。该系统由传热试验段、气路系统、电加热系统及数据采集系统组成。传热试验段主要包括电加热芯体、保温层等部分（如图2所示）。实验中衰减性旋流是利用轴向导叶旋流器, 切向导叶旋流器和切向槽式旋流器进口来实现的, 图3中示出了所采用的3种不同的旋流器进口装置。流转流体的旋流强度一般可用旋流数s表示, 定义为[9]
式中 r1, r2分别为环形流道内外管半径，m；l1为常数, l1= π/8；vz,vθ分别是气流的轴向和切向速度分量，m/s。
在给定风量下, 调节调压器使系统达到一定的电热功率, 待换热工况达到稳定后, 测出换热段进出口的压差dp、进出口处的风温及电热棒外壁面的温度（测多点温度求平均值, 壁温的测点布置如图2所示）。由进出口风温可计算出空气的吸热量, 并与电加热功率作一比较, 若两者相近则表明系统的误差较小。试验结果表明在所有工况下计算所得空气吸热量与电加热功率很接近, 从而说明本文的实验结果具有一定的可靠性。
由测得的压降dp可计算出试验段的范宁当量摩擦系数f, 计算公式为[3]
式中 △p为不包含旋流器局部阻力损失的压差，pa；g为空气的质量流量，kg/s；l为试验段长度，m； rn为流道的当量半径，m；平均密度的倒数为表征衰减性旋流强度在流道内的衰减程度，在这里将l/d=0~10间的平均旋流强度与进口旋流强度之比定义为旋流衰减指标值为
d为环形流道的当量直径，m。
s*的数值越大说明旋流的衰减速度越慢。
3 试验结果及讨论
3.1 旋转流体的旋流衰减特性
通过进口段旋流器产生衰减性旋流在环形流道内自由地以螺旋线的轨迹向前运动, 旋流强度随流动方向逐渐衰减。图4为在进口旋流强度sin=3.2和环形流道长度l=0.5 m条件下, 轴向导叶式旋流器生成旋流的衰减指标值s*与re数(re数均根据环形流道内轴向风速计算)的关系曲线。从图中可看出, s*随re数的提高而增大，表明提高re数有利于保持流体原有运行方向, 抑制旋流数的衰减。这与前人对管内旋流衰减研究结果一致[7]。说明从re数的影响角度而言, 环形流道内的旋转流体的衰减特性与管内旋流一致。即管内旋流自由衰减应满足
式中 x/d为与旋流器的相对距离；a, b为常数。
按式(6)形式可归纳出轴向导叶式旋流器在环形流道内生成衰减性旋流的衰减指标值s*与re数的经验关系式为
式(7)的适用范围为re=10000~25000, 误差范围为
