摘要：利用粒子圖像測速儀(PIV)，對板翅式換熱器封頭結構改進前、后的流場進行了可視化研究分析。實驗結果表明，原始封頭內部的物流分配存在嚴重的不均勻性，采用添加打孔擋板之后的改進型封頭，流場的不均勻性有了很大的改善。從實驗對比分析中得出，當擋板小孔呈錯排分布、開孔率沿擋板的中軸線向兩側逐漸增加、且總開孔率達到50%左右的時候，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。此研究結果對于板翅式換熱器的 設計具有重要意義。

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

　　因此，本文考慮用PIV技術來研究板翅式換熱器封頭內部的流場分布 性，分析其對物流分配 性的影響規(guī)律，尋求 封頭結構型式，從而改善換熱器內部物流分配 性。由于實驗條件的限制，不能直接采用低溫工質進行實驗，而且數(shù)值模擬證明，對于結構改進前、后的封頭，低溫工質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進行實驗。

　　風路系統(tǒng)圖1是實驗臺的風路系統(tǒng)簡圖，該實驗采用風機上游供氣方式，通過孔板流量計測量供氣量?？装迳舷掠胃饔幸欢蔚葟街惫茏鳛榉€(wěn)定段。所有試件均采用有機玻璃，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)本實驗采用西安交通大學流體機械 實驗室的二維PIV測試系統(tǒng)，主要由集成式NdYag雙激光器、630046型PIVCAM1030攝像機、同步器和圖像數(shù)據分析系統(tǒng)等幾部分組成。在運用PIV系統(tǒng)進行流動測量時，示蹤粒子的選擇和施放是獲得理想測量結果的關鍵因素。實驗采用Rosco1600煙霧發(fā)生器，安置在風機的入口處，使煙霧和氣流一同進入風路系統(tǒng)，在管道中混合均勻后再進入封頭進行測試，從而保證發(fā)煙方式滿足實驗要求。

　　實驗希望觀測到的封頭流場區(qū)域為封頭的半圓截面，而PIV片光源的照亮區(qū)域和CCD相機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。它揭示了實驗數(shù)據的離散程度，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大，流動狀態(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死區(qū)。漩渦會引起機械能轉化為熱能，從而導致機械能的損失。而且，漩渦所消耗的能量較大，這是因為除了摩擦以外，尚有漩渦與主流之間的質量交換的緣故。

　　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散，而且沿流向拉伸明顯。可見，封頭內部這部分流體主要依靠流體的漩渦運動擴散而來。這是因為流體在出口截面橫向壓力梯度的作用下向封頭兩邊流動，小部分流體剛好到達出口并沿著出口通道流出，大部分流體碰到邊壁，流動受到阻礙，脫離邊壁形成漩渦并向周邊擴散。

　　由以上的分析可知，對于改進前的原始封頭，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行分配。因此，入口管附近的地方流量大，而遠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引起較大的能量損失。因此，需要對此封頭進行結構改造，使其出口截面物流分配均勻。

　　改進型封頭的測量結果如文獻所述，在原始封頭瓜皮結構的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。流體到達孔板處流動被阻礙，根據Bernoulli方程，此時壓力升高，形成一個橫向的壓力梯度，導致流體向周邊流動，使得流體在到達封頭的出口之前， 已經分配均勻。

　　改進后的封頭截面11與改進前相比，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。這是因為孔板正中的小孔直徑 小，對來流產生的阻力 ，導致了一個橫向的壓力梯度，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，而且與改進之前相比，孔板前來流的漩渦消失。這是因為添加孔板之后，使得此處高度減半，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。當流體由擋板分流過來時，在擋板前面會形成一個明顯的漩渦，流體經過擋板上的小孔分流之后，在y方向 體分布均勻，與改進前相比，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，各截面的流體漩渦與改進前相比大大減少，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，滿足壓降對結構改進的限制。

　　2種不同封頭結構在入口平均雷諾數(shù)均為60000時，沿封頭長度方向的物流分配情況。實驗測量了11個截面，考慮到封頭結構的對稱性，假定其內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型封頭物流分配的改進效果明顯。對于原始封頭， 流速與 小流速之比為23 163，不均勻系數(shù)達到1 210，而對于改進型封頭，中間截面流速明顯降低，兩側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。

　　擋板結構的確定從以上的實驗結果可以看出，主要是由于擋板將入口管軸線附近的截面流速降低，從而提高了遠離軸線的周邊位置的截面流速，達到在整體上改善截面流速均勻分布的目的。因此，有必要進一步進行實驗研究，選取合適的擋板結構尺寸，達到物流均勻分配的 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。根據原始封頭的速度分布， 10mm小孔的打孔區(qū)域對應為封頭入口管截面。設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)與物流分配的關系。封頭入口平均雷諾數(shù)均為60000。

　　當中孔面積比率為0 2、0 3、0 4時，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。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?？梢姡斨锌酌娣e比率為0 3時，出口物流分配的均勻性 。因為隨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。實驗結果表明，將擋板上小孔的排列方式由順排改為錯排之后，不均勻系數(shù)由0 306降至0 209，出口的物流分配變得 均勻。因為孔的排列由順排改為錯排之后，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%增大到錯排的53%)，可以減小擋板對流體的流動阻力，從而降低流體進出口的壓力損失?？梢姡瑩醢迳闲】椎呐帕蟹绞讲捎缅e排是比較合理的。

　　結　論

　　(1)利用PIV技術對改進前、后封頭各處截面流場進行測試，克服了以往單點測量方式工作量大、測點少等不足，在實驗要求的二維平面流場中，約測量出了17000個測點的瞬時速度矢量值，實驗數(shù)據獲取快捷、 、精度高。

　　(2)從實驗結果可以看出，添加擋板之后的封頭改進效果明顯。當擋板上小孔呈錯排分布、中孔面積占整個打孔面積的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)打孔擋板結構簡單，成本低廉，易于加工安裝，對于板翅式換熱器的應用研究和設計開發(fā)具有重要意義。