1、CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS 2010年第 29卷增刊 ·82·化 工 進 展 翅片管式換熱器的數值模擬與優化司子輝,張 燕,康一亭,歐順冰(西華大學能源與環境學院,四川 成都 610039摘 要:利用 FLUENT 數值模擬方法,研究兩種翅片(波紋三對稱穿孔翅片與波紋翅片的表面流動性與傳熱 性,得到不同風速表面傳熱系數的分布。表面傳熱系數模擬結果與實驗數據的誤差為 5%10%,證明該模擬方 法的正確性。研究結果表明:當氣流速度不同時,波紋三對稱穿孔翅片表面傳熱系數比波紋翅片表面傳熱系數 高 20%28%,節約能耗,強

2、化傳熱。關鍵詞:翅片;數值模擬;表面傳熱系數中圖分類號:TB 657.5; TQ 008 文獻標志碼:A 文章編號:1000 6613(2010 S2 082 05Numerical simulation and optimization of finned tube heat exchanger SI Zihui , ZHANG Yan, KANG Yiting, OU Shunbing(School of Energy and Environment, Xihua University, Chengdu 610039, Sichuan , ChinaAbstract: The perfor

3、mance of surface flow and heat transfer of two kinds of different finned-tubes (wavy three symmetric holes fin surfaces and wavy fin surfaces are numerically studied by using FLUENT software, and distributions of convection heat transfer coefficients are obtained. The error of surface heat transfer

4、coefficient between simulation results and experimental data ranges from 5% to 10%, which proves the feasibility of the simulation method. The results show that the convection heat transfer coefficients of the wavy three symmetric holes fin surfaces increase by 20%28% compared to the wavy fin surfac

5、es, thus saving energy and enhancing heat transfer.Key words: fin; numerical simulation; surface heat transfer coefficient翅片管式換熱器應用廣泛,其強化傳熱的數值 模擬的研究一直是研究者普遍關注的課題。翅片管 式換熱器具有結構緊湊、體積小、質量輕、經濟等 突出的優點,在航空航天、汽車空調、石油化工等 領域得到越來越廣泛的應用。翅片的類型和結構尺 寸是影響換熱器性能的重要因素。蘇華等 1對穿孔 翅片管進行了實驗研究和數值分析,結果表明:在 平翅片表面局部換熱系數較低、換熱薄弱

6、的區域開 圓孔的穿孔翅片管的換熱系數可提高 12.5%,而阻 力增加不超過 7%。 王厚華等 2對平直翅片表面的換 熱系數分布進行了數值模擬和實驗研究, 結果表明:空氣外掠單塊矩形翅片管時,管后尾流區域的存在 影響翅片表面強化換熱的主要問題之一。馬曉茜等 3對空氣橫掠橢圓矩形翅片和圓管圓形翅片的單排 管進行了對比實驗,結果表明:橢圓矩形翅片管比 圓管圓形翅片管具有較優的傳熱和阻力性能。本文 作者提出一種波紋穿孔翅片管換熱器,對其傳熱與 流動特性進行三維數值模擬。研究波紋開孔翅片的 速度場分布、壓力場分布和溫度場分布,為翅片管 換熱器研究和工程應用提供參考。1 物理模型與邊界條件翅片管式換熱器換

7、熱過程:換熱銅管中的高溫 制冷劑(水的熱量通過導熱的形式傳遞給管外 翅片,翅片的熱量以對流方式傳遞給翅片表面冷 空氣,通過不停地吹入新的冷空氣達到冷凝的目收稿日期:2010-08-13; 修改稿日期:2010-10-25。基金項目 :西華大學 2009研究生創新基金項目資助(Ycjj200930 。 第 一 作 者 簡 介 :司 子 輝 (1981 , 男 , 碩 士 研 究 生 。 E-mail friend012016。增刊 司子輝等:翅片管式換熱器的數值模擬與優化·83·的。翅片管的結構尺寸如表 1所示,波紋 3組對 稱圓孔 D =3 mm開孔在基管對稱中心位置之間。

8、 翅片排列具有周期性和對稱性, 模型取一個翅片單 元和翅片上下空氣流道為研究對象。為保證無回 流, 在空氣流動的方向上, 入口、 出口作適當延長, 計算區域如圖 1和圖 2所示。 翅片的表面與流體相 交面為耦合(coupled 。由于翅片很薄,忽略翅片 端部傳熱,認為絕熱;忽略銅管壁厚導熱溫差; 忽略翅片和銅管外壁接觸熱阻,認為翅片根部和 銅管外壁溫度相同。翅片為鋁合金材料,基管用 銅材料。表 1 翅片管結構尺寸基管直徑 D /mm翅片傾角 /(°翅片長、寬 /mm翅片厚 /mm19.4 18.7 70×35 0.12 翅片間距 /mm橫向管間距 S 1/mm縱向管間距 S

9、 2/mm管排數3.5 35 35 3 圖 1 波紋翅片幾何結構 圖 2 波紋翅片計算區域1.1 數學模型各控制方程可寫成式 (1 式 (5 的形式 4-5。質量守恒方程(conservation of mass( 0(1,2,3 i iu i x = (1 動量守恒方程(conservation of momentum(1,2,3 k i k i i i ku pu u i x x x x µ= (2能量守恒方程(conservation of energy(i i i p ik Tu T x x C x = (3 湍流動能方程(turbulent kinetic equation

10、(t i k i j k j b m kkku G x x x G Y S µµ=+ (4 (2213( t i i j k jk b ku x x x C G C G C S kkµµ=+ (51.2 邊界條件見表 2。表 2 邊界條件參數邊界條件項 設置內容進口邊界條件 V =17 m/s, T =303 K出口邊界條件出口被壓 0,即表壓,出口背景溫度 T =303 K流體上下邊界條件 流體左右表面邊界條件 基管設為 T =317 K,壁面可導熱 翅片與空氣耦合傳熱2 研究方法在 gambit 中建立熱邊界和混合邊界條件,用 split volum

11、e工具得到 wall shadow耦合邊界條件, 這種邊界條件可以實現流體和固體的換熱。網格采 用六面體和四面體混合結構性網格,根據不同計算 區域精度要求的不同,采取分塊劃分。本研究模擬計算采用 FLUENT 6.2軟件,邊界條件的設定如表 2所示。 計算在三維直角坐標中進行, 三維不可壓、 穩態、 湍流流動。 計算數學模型采用標準 k -兩方程 模型,各方程的離散化均采用二階迎風格式,同時 用 Simple 算法求解上述控制方程的離散方程組, 將能量方程與動量方程進行耦合求解。為保證求解 精度,在求解過程中,當連續性方程和動量方程的 殘差達到 10-3, 能量方程的殘差達到 10-6, 認為

12、計算收斂 6。化 工 進 展 2010年第 29卷 ·84·3 模擬計算結果因篇幅需要, 本研究只取距離翅片 1.5 mm、 v =3 m/s的速度場、壓力場、溫度場說明問題。如圖 3所示,開孔后速度分布有明顯的變化, 尾流明顯變小,相對速度有很大提高,增強換熱。 波紋穿孔翅片的表面溫度要低于波紋翅片的表面溫 度,因為波紋穿孔翅片很好地破壞邊界層,同時減 小速度場與溫度場梯度的夾角,增加了協同性 7, 強化傳熱效果更為顯著使對流邊界層的換熱性能大 大加強。如圖 4所示,穿孔后壓力有很小的變化。 如圖 5所示,距翅片 1.5 mm處的空間溫度分 布看,與基管接觸處的溫度最高,

13、但背風側的溫度 變化明顯低于迎風側,說明迎風側的換熱效果優于 背風側,因為背風側有尾流區,影響了換熱,穿孔 后減小了尾流面積,使換熱加強。 圖 3 v =3 m/s 翅片速度場分布圖 圖 4 v =3 m/s 翅片壓力場分布 圖 5 v =3 m/s 翅片溫度場分布圖4 實驗方法4.1 實驗裝置實驗系統包括風洞系統、水系統和測溫系統, 如圖 6所示。 實驗臺用風冷模型。 實驗時水走管程, 空氣從管外橫掠管束。水流量由閥門控制,水從水 箱出來經電加熱箱加熱后,再通過試件與空氣換熱 后回到水箱。 空氣流量由風機轉速來調節。 空氣進 出口溫度、水進出口溫度皆由熱電偶測量,測量精 度為±0.

14、1 。管外空氣流速由畢托管測量,測量 精度為 0.5級。水流量由轉子流量計來測量,測量 精度為 0.5級。實驗用的翅片管結構是外側換熱表 面得到擴展的一種形式,整體軋制而成,故沒有翅 片與管體的接觸熱阻。4.2實驗數據整理空氣側換熱量見式(6。out in(m pq q c T T=(6 換熱系數及其它見式(7式(14。 /(h q A T=(7 圖 6 實驗系統增刊 司子輝等:翅片管式換熱器的數值模擬與優化·85·對數平均溫差max min max min ( /ln( T T T T T = (8雷諾數max /Re U d µ= (9努塞爾數/Nu hd =

15、 (10摩擦因子2max 2/f p U l d = (11n m Nu CRe Pr = (12 max wi in wo out max ( , T T T T T = (13 min wi in wo out min ( , T T T T T = (14式中, C 、 n 和 m 可由實驗數據用最小二乘法 8回歸確定出數值,其步驟是:先由實驗數據確定流 體的定性溫度, 再由流體的定性溫度查物性參數表 確定各物性參數值及 Pr 的值,然后將數值代入求 出對應的 Re 及 Nu 值,最后將各組實驗數據求出 的 Re 、 Pr 及 Nu 值,對上式進行回歸,確定 C 、 n 和 m 值,即可

16、得到翅片管的對流換熱傳熱準則方 程式。對于翅片管,在 Re =10007000內,傳熱準 則方程為式(15。= (15如圖 7和圖 8所示,波紋開孔翅片 h (表面換 熱系數和 Nu (努謝爾特數明顯高于波紋翅片, 提高風速,換熱能力也大大加強。兩種曲線基本和 實驗結果吻合。如圖 9和圖 10所示,兩種翅片管的壓降隨著 風速的增大而增大。在風速較小時,波紋穿孔翅片 與波紋翅片的壓降基本相同,但在提高風速時,波 紋穿孔翅片的壓降明顯要比波紋翅片增長得快。這 圖 7 換熱系數與風速的關系曲線 圖 8 換熱特性試驗與模擬值 圖 9 阻力特性試驗與模擬值 圖 10 空氣流動壓降隨迎面風速的變化是因為波

17、紋翅片穿孔后,增強擾動,也增大了空氣流動阻力。圖 7圖 10中, h 1、 Nu 1、 f 1、 p 1為波紋翅片 模擬值; h 2、 Nu 2、 f 2、 p 2為波紋穿孔翅片模擬值; h 3、 Nu 3、 f 3、 p 3為波紋翅片實驗值; h 4、 Nu 4、 f 4、 p 4為波紋穿孔翅片實驗值。5 結 論(1 波紋穿孔翅片與波紋翅片相比阻力幾乎沒 有變化,傳熱加強。由于穿孔后使層流邊界層遭到 破壞,有利于強化傳熱,并且也使尾流區域大幅度化 工 進 展 2010年第 29卷 ·86·的減少,傳熱系數明顯提高,與波紋翅片相比提高 近 30%。(2提高風速雖能使傳熱系數

18、提高,但隨著壓 降大幅度的增加(阻力急劇增大,風機的功率消 耗大大增加,證明提高風速不是理想的強化傳熱方 式。(3 穿孔翅片能增加擾動和破壞流動邊界層的 連續增長, 同時也減小速度場與溫度場梯度的夾角, 增加了協同性,強化傳熱效果更為顯著。符 號 說 明A 翅片表面換熱面積c p 比熱容C 1常數C 2同上C 3同上D 管子外徑G k 平均速度梯度產生的紊動能G b 浮升力產生的紊動能k 導熱系數l 氣流流動方向翅片長度p 壓力p 翅片進出口壓降q m 空氣質量流量S k k 的源項S 的源項T 溫度T in 進口空氣溫度平均值T out 出口空氣溫度平均值 T wi 進口翅片平均溫度T wo 出口翅片平均溫度u i 速度u m 最小截面平均流速Y m 可壓縮紊流脈動擴張對總紊流耗散率空氣密度µ動力黏度紊流耗散率 k k 的紊流普朗特數 的紊流普朗特數µt 紊流度參 考 文 獻1 蘇華,王厚華,李惠風 . 穿孔型翅片管的實驗研究和數值分析 J. 四川制冷, 1999, 15(3:26-31.2 Wang Houhua , Yang Yanping, Jiang Cun. Convection heat transfer coefficient distribution over the single rectangular