目前,翅片管式換熱器已廣泛應(yīng)用于石油化工、航空航天、車輛工程、動(dòng)力機(jī)械及低溫制冷等領(lǐng)域.由于翅片管式換熱器的主要熱阻為空氣側(cè)熱阻,因而合理設(shè)計(jì)翅片結(jié)構(gòu)和增強(qiáng)翅片側(cè)傳熱性能是改善翅片管式換熱器性能*有效也是*常用的途徑.傳統(tǒng)方法主要是使用波形翅片和孔槽型翅片,國內(nèi)外學(xué)者對翅片管式換熱器空氣側(cè)的換熱進(jìn)行了許多實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的研究工作.例如,陳瑩等對不同迎面風(fēng)速下平直翅片和波形翅片進(jìn)行了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)的對比研究[].Wongwises和Chokeman實(shí)驗(yàn)研究了波形翅片管式換熱器的翅片傾斜度和管排數(shù)對空氣側(cè)換熱性能的影響,結(jié)果表明,雷諾數(shù)高于2 500時(shí),隨著翅片傾斜度的增加,阻力系數(shù)增加,但是,對換熱因子的影響不是很顯著;雷諾數(shù)低于4 000時(shí),換熱因子和阻力系數(shù)隨著管排數(shù)的增加而降低[].Jang和Chen通過數(shù)值模擬研究了三維波形翅片管式換熱器中的傳熱和流動(dòng)特性,結(jié)果表明,波形翅片的換熱因子比相應(yīng)的平直翅片的高63%~73%,阻力系數(shù)也高出75%~102%[].信石玉和崔曉鈺利用數(shù)值模擬的方法,研究了空調(diào)系統(tǒng)用的翅片管式換熱器的開縫翅片的開縫微肋結(jié)構(gòu)對翅片整體的流動(dòng)與傳熱特性的影響,得出翅片開縫微肋在既定工況下存在*佳傾斜角度等結(jié)論[].作者使用CFD軟件對平直翅片管換熱器和波紋翅片管換熱器的空氣
側(cè)氣流進(jìn)行了三維數(shù)值模擬,其中,波紋翅片管又分
為均勻波紋翅片與傾角漸增波紋翅片,得出了3種類型翅片換熱器的速度場、溫度場及壓力場的分布情況,其結(jié)果對工程應(yīng)用及換熱器研究具有一定的參考價(jià)值.
首先對計(jì)算模型作幾點(diǎn)簡化和假設(shè):
a. 忽略輻射換熱,不考慮換熱管軸向傳熱及管排間的逆向?qū)?
b. 馬赫數(shù)較低,流動(dòng)是不可壓縮流動(dòng).
c. 翅片導(dǎo)熱系數(shù)無限大,即翅片上的溫度均勻分布.
d. 忽略翅片和管外壁的接觸熱阻.
數(shù)值模擬使用的是商業(yè)軟件Fluent6.3.26,由前處理軟件Gambit2.4.6建立三維模型并劃分網(wǎng)格.翅片的材料為鋁,3種翅片的結(jié)構(gòu)尺寸如所示,邊界條件設(shè)置如所示.以均勻波紋翅片管為例,它的計(jì)算區(qū)域及邊界條件定義分別如和所示.u為空氣入口速度,T為空氣溫度.
空氣入口速度u取值范圍為0.5~5.0 m/s,雷諾數(shù)Re[].
質(zhì)量守恒方程
式中,ui為速度分量;xi為坐標(biāo)分量;ρ為空氣密度.
動(dòng)量守恒方程
式中,uk為速度分量;μ為空氣動(dòng)力黏度;p為壓力.
能量守恒方程
式中,k為空氣導(dǎo)熱系數(shù);cp為空氣比定壓熱容.
通過CFD軟件的前處理軟件Gambit建立三維模型,將流域中心面設(shè)置為周期邊界并劃分周期網(wǎng)格.對于平直翅片,由于結(jié)構(gòu)相對簡單,使用的是六面體和四面體混合結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,而對波形翅片采用的是四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格.在Fluent軟件中設(shè)置翅片和換熱管為固體壁面邊界條件,溫度固定在318 K.求解器中設(shè)置能量方程和動(dòng)量方程的離散格式為二階迎風(fēng)格式,選取Simple算法求解壓力速度耦合方程.為保證精度,在求解迭代過程中需使連續(xù)性方程和動(dòng)量方程殘差小于10-3,能量方程殘差小于10-6,并檢驗(yàn)進(jìn)出口流體熱流量差是否達(dá)到10-3 W量級(jí),假如滿足以上條件,可認(rèn)為計(jì)算已經(jīng)收斂[].本文設(shè)定迭代步數(shù)為1 000,計(jì)算收斂后再對結(jié)果進(jìn)行分析和討論.
選取空氣入口速度為2 m/s時(shí)流域中心面的溫度場、壓力場和速度場分布進(jìn)行分析討論.
分析可以看出,由于平直翅片表面平坦光滑,氣體所受擾動(dòng)較弱,換熱過程比較柔和,溫度等值線光滑而均勻,呈分層波紋狀.而對于波紋翅片,氣流擾動(dòng)較強(qiáng),換熱強(qiáng)烈,溫度場分布不均且變化劇烈,溫度等值線分布紊亂,呈狹長帶狀.在迎風(fēng)側(cè),溫度梯度較大,換熱強(qiáng)烈;在背風(fēng)側(cè),恰好相反.這是因?yàn)楸筹L(fēng)面發(fā)生繞流脫體影響了換熱,波紋翅片對繞流脫體現(xiàn)象有一定的破壞作用,因而波紋翅片增強(qiáng)了換熱效果.
分析(見下頁)可以看出,平直翅片的壓力場均勻分布,為分層波紋狀.而波紋翅片的壓力場比較紊亂,分層比較狹長.由于波紋翅片對流場的擾動(dòng)作用比平直翅片的大,因而造成的阻力損失較大,要保持相同的進(jìn)口流速和進(jìn)出口壓力,必須增大風(fēng)機(jī)的功率.在*小流通截面的兩側(cè),壓力先降后升,近壁面處有負(fù)壓區(qū)存在,這是因?yàn)榱黧w在繞流圓管時(shí),流通截面的變化引起速度變化,導(dǎo)致空氣靜壓先減后增,從而出現(xiàn)沿程壓力的周期性變化.
分析(見下頁)可以看出,空氣橫掠叉排管束時(shí)由于流通截面的漸縮和漸擴(kuò)作用,使流動(dòng)速度產(chǎn)生周期性的交替變化,同時(shí)在背風(fēng)面產(chǎn)生了局部的回流和漩渦,但是,相比平直翅片,波紋翅片的脫體回流區(qū)較小,這樣就增強(qiáng)了背風(fēng)側(cè)的換熱效果.
空氣入口速度與壓降Δp、換熱量Q之間的變化關(guān)系曲線如和所示.
分析可以看出,3種翅片換熱器的換熱量都隨空氣入口速度的增大呈現(xiàn)遞增的趨勢.以3 m/s的入口速度為例,均勻波紋翅片和傾角漸增波紋翅片的換熱量分別是平直翅片的1.18倍和1.23倍,即在相同工況下,傾角漸增波紋翅片的換熱效果*好,而平直翅片的*差.但是,從可以看到,隨著空氣入口速度的增大,各翅片管式換熱器的壓力損失也顯著增大,且傾角漸增波紋翅片的增幅*大,*大時(shí)為平直翅片的2.03倍,即翅片類型對阻力性能有很大的影響.由此可以認(rèn)為,波紋翅片增強(qiáng)了傳熱效果,壓力損失也相應(yīng)增加.但是,在對換熱器體積要求嚴(yán)格且需要較高換熱量的場合,波紋翅片的優(yōu)勢是顯而易見的,而且傾角漸增波紋翅片比均勻翅片的換熱效果更佳.
雷諾數(shù)Re與阻力系數(shù)f、努謝爾數(shù)Nu之間的關(guān)系曲線如和所示.
分析和也能得出上述相同的結(jié)論,即傾角漸增波紋翅片的換熱效果*好,同時(shí)阻力損失也*大.本文對均勻翅片的數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果略大于文獻(xiàn)[]中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),如所示,其雷諾數(shù)Re與努謝爾數(shù)Nu之間的關(guān)系曲線變化趨勢一致,誤差在10%以內(nèi),其影響因素主要是實(shí)驗(yàn)散熱損失及翅片實(shí)際尺寸與設(shè)計(jì)尺寸的誤差.因此,可以認(rèn)為數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果是相對可靠的.
a.平直翅片的溫度場、壓力場分布均勻,呈分層波紋狀;波紋型翅片的溫度場、壓力場分布相對紊亂,呈狹長帶狀.
b.在其它工況不變時(shí),增大空氣入口速度可以增強(qiáng)翅片的換熱效果,同時(shí),空氣入口速度的增大也會(huì)使阻力損失增加,所以,空氣入口速度的提升應(yīng)當(dāng)在壓降允許范圍之內(nèi).
c.流體橫掠平直翅片時(shí),速度場的變化相對平緩,脫體漩渦區(qū)域較大,不利于背風(fēng)面換熱;而對波
紋翅片,流場速度變化劇烈,脫體區(qū)漩渦形成受阻,因而有利于背風(fēng)面充分換熱.
d.雷諾數(shù)Re在400~1 500的范圍內(nèi),波紋翅片的傳熱性能強(qiáng)于平直翅片的,因?yàn)?波紋翅片不僅可以加大流道的長度,而且它波紋狀的流道使流體充分混合,從而增強(qiáng)了傳熱效果;波紋翅片改變了流體的速度場,減小了速度矢量和熱流密度矢量的夾角,從而增強(qiáng)了場協(xié)同的程度,強(qiáng)化了換熱[].
e.空氣入口速度在0.5~5.0m/s時(shí),傾角漸增波紋翅片的換熱系數(shù)比平直翅片的高13.8%~29.3%,傾角漸增波紋翅片的壓降損失比平直翅片的高14.1%~108.2%;均勻波紋翅片的換熱系數(shù)比平直翅片的高8.3%~18.9%,均勻波紋翅片的壓降損失比平直翅片的高10.0%~71.8%.因此,在實(shí)際工程應(yīng)用中可以按照換熱器的運(yùn)行工況和使用條件選擇不同類型的翅片.
