不断改进和发展新的强化传热技术不仅有助于提高紧凑式换热器的性能而且是节能的必然要求。含有纵向涡的流动是流体动力学和传热中的一个重要物理现象,是一种有效的强化换热流动结构。纵向涡是指涡的旋转轴与流动方向或主流方向平行的涡,因其能以相对较小的阻力损失获得较大的强化传热效果,在管翅换热器翅片强化传热技术中被广泛应用。纵向涡的强化传热效果与纵向涡的强度有关,由于纵向涡在传输过程中强度不断衰减,为提高换热器通道内纵向涡的强度,通常要按一定规律布置多个纵向涡产生器。涡产生器布置方式不同时,在通道内形成纵向涡的旋转方向也不同。当通道内纵向涡间距离较近时,相同旋转方向和相反旋转方向纵向涡之间就存在不同程度的相互干涉,干涉影响到纵向涡的强度及其强化传热效果。由于纵向涡受到涡产生器的形状、参数、布置方式、攻击角、翅片间距等较多参数的影响,因此纵向涡运动较为复杂。一直以来对纵向涡的研究主要集中在应用上,而对纵向涡干涉流动结构、纵向涡干涉对纵向涡强度和强化传热的定量研究较少。较早研究中由于缺乏纵向涡强度描述参数,关于纵向涡应用的研究大多忽略了纵向涡之间的干涉,使得对涡干涉的研究主要停留在实验观察和定性分析层面上。因此,研究纵向涡干涉对流动与传热的影响有助于对涡干涉及其强化传热机理的深入认识,对进一步提高换热器的性能具有重要意义。本文首先对二次流强度无量纲数Se进行了定义并分析了Se描述二次流强度的普遍适用性,定义了用于描述纵向涡间干涉的参数--干涉系数Ir;然后以机车车辆中采用涡产生器强化传热技术的换热器为研究对象,通过Se定量的研究了换热通道内旋转方向相反、旋转方向相同的两个纵向涡之间的干涉以及扁管换热通道内多个旋转方向相同、相反纵向涡之间的干涉现象;对相同、相反旋转方向纵向涡间干涉对流动结构、纵向涡强度、强化传热、流动阻力的影响以及纵向涡干涉与Ir之间的关系进行了详细的分析,对纵向涡间干涉现象有了新的认识。本文研究结果表明:(1)来流中两个纵向涡相互干涉时,旋转方向相反纵向涡的稳定性较好,纵向涡干涉时未发生融合。而旋转方向相同的两个纵向涡相互干涉时,纵向涡稳定性较差,在纵向涡间干涉时发生融合现象,干涉后纵向涡融合为一个纵向涡。(2)涡产生器间距相同时,旋转方向相同、相反纵向涡之间的干涉程度不同,而旋转方向相反与旋转方向相同纵向涡间完全干涉时所对应的涡产生器间距以及纵向涡间干涉对纵向涡强度以及换热强度的影响也不同。(3)旋转方向相反纵向涡发生部分干涉并形成明显的向壁型流场时,纵向涡间干涉有利于翅片表面传热。旋转方向相反纵向涡干涉后形成的流场结构不同时,流场结构对翅片表面强化传热的影响也不相同。相反旋转方向纵向涡干涉后诱导纵向涡间流体流向下翅片表面时,有利于下翅片表面换热,而当相反旋转方向纵向涡干涉后诱导流体离开下翅片表面时,不利于下翅片表面换热但有利于上翅片表面换热。旋转方向相同的纵向涡间干涉形成的流场结构不利于翅片表面换热。(4)纵向涡间发生完全干涉时,纵向涡干涉不利于翅片换热。相同、相反旋转方向纵向涡间完全干涉时对Se,Nu和f的影响程度不同。在旋转方向相反的两个纵向涡间完全干涉时,计算区域内平均纵向涡强度Se最大衰减超过40%,Nu和f分别减小6%和2%。而旋转方向相同的两个纵向涡间完全干涉时,计算区域内平均纵向涡强度Se最大减小18%,平均Nu减小不足2.5%,而f基本不变。(5)旋转方向相反的纵向涡间干涉对等流量、等压降和等泵功条件下的综合评价准则JF的影响最大值分别达到5.0%,6.0%和6.3%。而旋转方向相同纵向涡干涉对等流量、等压降和等泵功条件下的综合评价因子JF的影响很小,最大变化量分别为2.0%,2.3%和2.0%。(6)对于所研究的扁管换热器结构,扁管同侧涡产生器产生的纵向涡完全干涉后融合为一个纵向涡,而不同管排周围涡产生器产生的旋转方向相反的纵向涡干涉后形成不同流场结构。涡产生器间距变化对不同管排周围旋转方向相反的纵向涡间干涉的影响最大。在旋转方向相反纵向涡间完全干涉时,Se衰减13%,Nu减小10%,f减小7.6%(7)扁管换热器通道内旋转方向相反纵向涡间完全干涉时,对应的涡产生器间距随着涡产生器攻击角的增大而减小。通道内换热强度与纵向涡强度有关,在翅片间距、涡产生器高度、攻击角、涡产生器间距变化时,Nu与Se之间存在线性对应关系,Nu与拟合式之间的最大误差小于5%。扁管换热器通道内二次流强度决定换热强度。(8)纵向涡干涉系数Ir可用于描述纵向涡间的干涉程度。Ir=0时,纵向涡间完全干涉,Se,Nu和f都达到最小值;在|Ir|<2时,纵向涡间的干涉比较显著;在|Ir|大于2时,纵向涡间的干涉比较小。而在1<|Ir|<3时,相反旋转方向纵向涡干涉对应的Nu要大于相同旋转方向纵向涡干涉对应的Nu值,且在Ir=±2时,Nu的值最大。在所研究扁管换热器通道内,纵向涡干涉系数均小于2,涡产生器间距变化对纵向涡间干涉的影响比较大。