以潤滑油為工質，采用正交原理試驗設計方法，對高粘度流體在叉排列三維內肋管中的流動和傳熱性能進行了研究。結果表明:離散的三維內肋結構能夠促進高粘度流體在較低的雷諾數下完成從層流向湍流的轉變。說明在高粘度流體的換熱問題中，采用三維內肋管可以有效促進流態轉變，并因此獲得明顯的傳熱強化效果;對試驗數據采用最小二乘法進行多元線性回歸，獲得了三維內肋管中高粘度流體在層流區的流阻和換熱準則方程式;根據Webb定義的熱力性能系數，作為強化傳熱性能的判斷指標，得到了性能最優的三維肋結構組合，為結構優化指出了方向。

1、前言

　　潤滑油冷卻器不僅是熱力發電廠的重要配套設備，同時也廣泛應用于石油、化工、食品等行業的生產過程中。然而油類物質具有粘度高、Pr數值大的特點，使換熱過程具有較大的熱阻和較低的對流換熱系數，是造成這類換熱器體積龐大和輸運泵功能耗高的直接原因。尤其在高粘度，小流量情形下，管內側換熱系數的提高總是很有限的。因此成為制約油冷卻器整體換熱性能的薄弱環節，所以強化高粘度流體在小流量條件下管內流動換熱十分必要。以往的研究表明，采用改變傳熱表面結構來進行強化傳熱，是提高潤滑油冷卻器的換熱效率、減小其尺寸與運行成本的有效手段。與常見的平片，螺旋片等二維連續肋片不同，真空技術網( http://smsksx.com/)認為三維內肋具有離散肋的結構特點，是用專用機床對管材冷加工而成。具有易于制造，結垢少等優點。廖強等的研究表明:由于能夠有效的促進湍流的發生并擴展管內換熱面積，與連續肋相比，離散的三維肋更易于導致流體產生回流，橫向二次流以及漩渦等，對于強化水，空氣，乙二醇與水混合物等工質的對流換熱效果顯著。吳雙應等采用透平油，對加扭帶的三維內肋管的流動和換熱性能進行了研究，發現三維內肋管還適合高粘度流體在層流區的對流換熱。但是目前仍然缺乏從結構優化角度出發，針對三維內肋管對熱阻較大的高粘度流體進行強化傳熱的研究。本文采用正交原理實驗設計方法，使用新鮮的潤滑油為工質，對高粘度流體在叉排列三維內肋管中的流動和傳熱特性進行試驗研究。根據實驗結果進一步探求高粘度流體在三維內肋管中流動充分發展的層流區的換熱強化的肋形結構參數。

2、試驗裝置和試驗方法

　　叉排列三維內肋管的結構如圖1所示。主要結構參數為:管內徑Di，肋高H，周向肋寬B，軸向肋間距Pt。試驗管以紫銅為材料，長度1000mm。

圖1 叉排列三維內肋管結構示意

　　試驗裝置原理如圖2所示。試驗裝置由潤滑油箱、齒輪油泵、三維內肋管、輔助電加熱器、冷油器等組成。潤滑油自潤滑油箱經齒輪油泵升壓后分為兩路，一路進入試驗管段，一路進入旁通回路，通過兩路的閥門調節，可以改變試驗管段的流量。1000mm的試驗管段外表面均勻纏繞4×0.2mm的扁形電阻絲獲得恒熱流密度的熱邊界條件。電阻絲外套石棉玻纖管用以與試驗管壁面電絕緣。電阻絲兩端電壓由調壓器控制，試驗管段的加熱功率由調壓器調節，電壓和電流測量采用數字式萬用表。試驗段的管壁溫度分別由沿軸向和周向均勻布置的3對Φ2mm銅-康銅熱電偶測得。工質進出口溫度分別由2對插入試驗段入口和出口的銅-康銅熱電偶測量。試驗管段的前端設置650mm入口段，用以保證試驗管段的流動達到充分發展。試驗前先用恒溫水箱對熱電偶進行校驗標定以保證測量精度。試驗段的進出口壓差由U型水銀壓差計測得。工質流量采用直接稱重法測量。

圖2 試驗裝置原理

　　采用同步增加加熱功率和流體流量的方式來調節換熱試驗工況。待工況穩定后采集試驗數據。試驗前先使用光管進行流阻和換熱試驗。并將結果在層流區分別與經典公式進行比較。結果表明，試驗裝置所測量的流動阻力的不確定度為±10%，傳熱系數的不確定度為±12%。

5、結論

　　(1)叉排列三維內肋管可以顯著的促進高粘度流體強化傳熱。由于從層流向湍流轉變的轉折雷諾數較低，可以在較低的流速下，使得高粘度流體達到換熱系數較高的湍流區;

　　(2)對于高粘性流體，叉排列三維內肋管在層流區也具有明顯的強化傳熱效果，強化傳熱的肋形結構優化方向是:增加相對肋寬，增加軸向間距并選取適當的肋高。