摘要：涡发生器（Vortex Generator，VG）是一种用于增强流体流动和换热性能的装置。它们通常被安装在流体流动的通道内，通过产生纵向涡旋来增加流体与热交换表面的接触，从而提高换热效率。通过数值模拟方法，采用SST k-ω湍流模型进行求解，利用Fluent材料模型中自带的NIST Real Gas模型来描述甲烷的物性，采用Simple算法来处理压力与速度耦合的关系。针对纵向涡发生器（LVGs）不同攻角对带翼型肋板式换热器（PCHE）传热特性影响的问题，分析了在7 MPa压力下，不同攻角（15°、30°、45°、60°)的VGs对带翼型肋PCHE传热性能的影响，并与光通道进行了对比。结果表明，增加入口速度可以提高传热效率；在攻角为45°时，换热性能最好，所以适当调整LVGs的攻角能够在提高热传递效率的同时，控制压降的增加，从而优化PCHE的综合传热性能。
关键词：印刷电路板式换热器,超临界LNG,涡发生器,数值模拟
0引言
液化天然气（Liquefied Natural Gas，LNG）作为一种清洁能源，是一种通过在常压下冷却至约-162℃将天然气液化形成的能源。LNG的能量密度高，便于储存和运输，因此在全球能源市场中扮演着重要角色[1-3]。浮式储存和再气化装置（Floating Storage and Regasification Unit，FSRU）是一种专门设计用于储存LNG并将其再气化的海上设施。FSRU通常是一个改装或新建的LNG运输船，它具备储存和再气化LNG的功能，可以直接在海上将LNG转化为气态天然气，然后输送到岸上的天然气管网[4-5]。随着全球对清洁能源需求的增长，FSRU变得更加重要。印刷板式换热器（Printed Circuit Heat Exchanger，PCHE）是一种紧凑式换热器，能够在有限的空间内实现大量的热交换，这对于海上设施尤为重要。在FSRU中，PCHE通常用于再气化模块，其良好的耐高压低温性能，高换热效率和紧凑的设计使得PCHE成为FSRU中理想的换热器选择[6]。纵向涡发生器（Longitudinal vortex Generators，LVGs）是一种有效的扰流元件。自20世纪60年代被应用于强化传热领域，现已成为提高换热器性能的重要手段之一[7]。
Salamatbakhsh E等[8]通过实验和数值模拟验证了波纹微通道散热器在配备特定配置的VGs时，能够显著提高热传递效率和整体的水热性能。符昊等[9]以水为工质通过数值模拟方法，研究了5种不同的LVGs配置方案对流动换热的影响。结果发现混合配置（CFU-CFD）在所有测试配置中表现最佳。张丽娜等[10]通过对比分析矩形翼涡发生器迎流夹角分别为50°、60°、70°和80°时换热器的传热和流动特性，结果发现，夹角为60°时换热器的综合性能最好。Hao F等[11]详细分析了LVGs配置和通道高度对微通道中流动和热传递性能的影响，研究结果表明，在考虑了不同的纵向涡流发生器（LVGs）配置和通道高度的情况下，LVGs的配置和通道高度主要影响LVGs下游的主涡流行为，但对LVGs附近的涡流结构影响较小。Sekaran M S等[12]研究了板式鳍片散热器（PFHSs）内部通道中集成的纵向涡流发生器（VGs）的设计参数与热性能之间的关系，并首次开发了一个多项式回归模型，用于评估安装在PFHS内部的三角翼小翼VGs在不同设计变量下的性能特征。张建伟等[13]使用k-εRNG模型进行模拟，发现柱形VGs能显著提升撞击流反应器的流场特性和混合性能。李凡等[14]通过三维数值模拟，研究不同形状和对数的涡发生器小翼对在圆管内湍流流动和传热特性的影响，并进行优化分析。研究表明，涡发生器产生的纵向涡结构有效促进了流体混合和壁面边界层与主流之间的动量及能量交换，提高了传热效率。DemirağZ H[15]研究探讨了新型倾斜三角翼在不同设计参数下对热传递和摩擦特性的影响，发现较低的倾斜角可以有效降低摩擦因子，并且在特定参数组合下能够显著提高热增强因子。张湘敏等[16]探讨了带滴状纵向涡发生器（DLVG）的矩形微通道在不同操作条件下的流动与传热性能，并将DLVG与矩形小翼纵向涡发生器（RWVG）进行了对比分析。结果发现，DLVG相比RWVG具有更好的局部传热强化能力。与光滑微通道相比，DLVG通道的努塞尔数（Nu）提高了55.15%，与RWVG通道相比，Nu最大增加了7.6%，PEC最大增加了5.2%。Haiou S等[17]通过数值模拟展示了在微通道中添加椭圆形圆柱体可以显著提高热传递效率，特别是CFD-V和CFU-I配置，它们通过增强纵向涡流的强度和影响范围，实现了热性能的显著提升。Zhenfei F[18]研究设计了一种结合纵向和横向涡流发生器的新型微/迷你通道散热器（MCHS），并使用Al2O3纳米流体作为工质以进一步提高MCHS的性能。
目前大多数研究都是以水为工质，针对于矩形、波浪形微通道内涡发生器（VGs）参数对微通道强化传热的影响，以及对新型涡发生器形状的研究上。对于以LNG为工质，VGs结合翼型强化传热的PCHE也值得研究。本文在7 MPa下，研究了纵向涡发生器不同攻角（15°、30°、45°、60°)对带翼型肋PCHE换热特性的影响，并与光通道进行了的对比。研究结果可为与PCHE强化传热的相关应用提供理论参考。
1物理模型及数值模拟方法
1.1物理模型及边界条件
几何模型如图1所示。通道高度H=1.0 mm，通道宽度W=2.0 mm。为了避免发生入口效应和出口回流，入口与出口处均增加通道高度16倍的延长段。即通道总长为96 mm（L1=16 mm，L2=64 mm，L3=16 mm）。涡发生器高度HVG=0.8，长度LVG=0.5，厚度WVG=0.05。翼型翅片选用NACA23024，如图2所示。翼型翅片最大厚度Wf=0.96 mm，弦长Lf=4 mm，高度Hf=1 mm。
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