264 平翅片換熱器管外傳熱與流動特性的數(shù)值模擬

平翅片換熱器管外傳熱與流動特性的數(shù)值模擬南京師范大學動力工程學院胡洪黃虎宋倩倩夏晨南京新江南機電工程股份有限公司陸春林江蘇丹陽蘇科空氣能研究中心有限公司陳澤民摘要本文利用CFD軟件FLUENT對平翅片換熱器翅片表面流體流動及換熱過程進行了數(shù)值模擬，獲得了換熱器內部流場、溫度場以及換熱器進出口壓降和翅片表面平均對流換熱系數(shù)等。根據(jù)模擬結果，翅片表面對流換熱系數(shù)隨風速增加而增加，但增加速率逐漸下降；換熱器進出口壓降隨著風速的增加而增加，且其增加速度逐漸加快。利用場協(xié)同原理進一步分析對流傳熱，發(fā)現(xiàn)流速增大帶來換熱量增大的根本原因是風量的增加；速度的增加反而導致對流換熱過程平均場協(xié)同角度增大，使速度場和溫度場的協(xié)同性變差。關鍵詞平翅片數(shù)值模擬場協(xié)同原理0引言隨著計算機技術的不斷發(fā)展和進步，中央處理器(CPU)的運算速度大大地提高。進而，使得采用計算流體動力學(CFD)技術對各種實際問題進行模擬計算得到了快速的發(fā)展。采用CFD技術模擬實際問題具有費用低、速度快,能模擬較復雜的過程變化等優(yōu)點，特別是對于一些在實驗過程中難易測量或者實驗投資較大等問題更具有獨特的優(yōu)勢。CFD技術在流體力學及傳熱方面的研究越來越得到重視和應用。文中利用CFD軟件FLUENT對管翅式換熱器的平翅片表面空氣流動及換熱過程進行了數(shù)值模擬，研究了換熱器內空氣的流動特性以及空氣與翅片對流換熱過程，同時應用場協(xié)同原理對對流換熱過程進行了進一步的分析。1物理模型描述平翅片換熱器相關結構參數(shù)如圖1所示，鋁制翅片厚度0.11mm，內部銅管外徑9.52mm，管間距為21.7mm,排間距為25mm。計算區(qū)域取在兩片翅片之間，中間部分分為流體區(qū)，取兩片翅片厚度的一般為邊界，給定周期性邊界條件。為了減小空氣入口效應以及出口回流，向外延伸進出口約5倍管徑2數(shù)學模型及其求解2.1數(shù)學模型針對上述物理模型，現(xiàn)對換熱過程作如下簡化：(1)流體物性參數(shù)隨空氣溫度變化甚微，近似為常數(shù)；(2)流體在壁面上無滑移;(3)流動是定常的，且是對稱的;(4)不考慮自然對流及輻射換熱的影響；(5)忽略銅管與翅片之間的接觸熱阻；(6)由于翅片厚度遠小于翅片高度，認為翅片厚度所在的三個側面換熱為零。基于上述假設,得到描述該問題的數(shù)學模型，列出主要控制方程如下：連續(xù)性方程:（1）動量方程:（2）空氣側能量方程：（3）固體區(qū)域內的傳熱方程：（4）采用標準-模型：方程：（5）方程：（6）上面各式下標均滿足愛因斯坦求和約定。式中，為空氣在方向的速度，m/s；為氣體密度，kg/m3;P為氣體靜壓力，Pa;E為氣體比內能，J/kg；為有效傳熱系數(shù)，為層流傳熱系數(shù)，為湍流傳熱系數(shù)，；，為由于平均速度梯度而產生的湍動能,J；為對于的湍流普朗特數(shù)，為對于的湍流普朗特數(shù)。上述標準-方程模型參數(shù)取值見表1。表1標準-模型參數(shù)0.091.441.921.01.3邊界條件確定：空氣進口邊界給定進口風速和溫度；出口邊界條件設置相對壓力為零；流固耦合面上的邊界條件設置按照壁面函數(shù)法[1]來確定。2.2求解思路及方法采用CFD流固共軛傳熱技術對流動和傳熱進行計算。選用標準-模型，計算過程中采用有限體積法離散方程，動量方程采用一階迎風格式，能量方程采用二階迎風格式，同時計算流體流動的質量、動量、、兩方程以及能量方程，計算控制能量方程殘差至10-6?？刂品匠糖蠼獠捎肧IMPLE算法[1]。通過改變入口空氣的速度，模擬計算不同風速下空氣與翅片的平均對流換熱系數(shù)和進出口壓降變化。進口空氣溫度給定為35℃，管內流體為9℃，進風速度分別為：0.6m/s,1.2m/s,1.8m/s,2.4m/s,3.0m/s,4/0m/s,5.0m/s,6.0m/s，共八組工況。3求解結果分析3.1模型結果分析通過對上述不同風速的八組工況進行模擬就算，得到空氣流場、溫度場以及翅片表面溫度的分布等。從八組工況中選擇有代表性的三組工況的計算結果來進行分析。圖2、圖3、圖4分別給出了風速為0.6m/s、2.4m/s、5.0m/s情況下空氣的溫度場和速度場。圖中標準了部分局部地區(qū)的溫度值和速度值。圖2V=0.6m/s時，空氣溫度和速度分布云圖圖3V=2.4m/s時，空氣溫度和速度分布云圖圖4V=5.0m/s時，空氣溫度和速度分布云圖由圖2、圖3、圖4可知，在相同的進風溫度下，隨著空氣入口速度的提高，空氣出口溫度有明顯地升高。這是因為速度增加，空氣與翅片換熱過程接觸的時間變短，致使空氣在較短時間內來不及與翅片進行充分的換熱而使出口溫度升高。從速度分布圖中來看，不同進口速度下在管后部的小區(qū)域內，空氣速度幾乎變得很小，且進口速度的增加使速度小的區(qū)域有所增大，這是因為空氣在管后部形成了漩渦，且流速的增加致使旋流區(qū)域逐步擴大。而旋流的存在不但會使流動阻力的增加，帶來動力消耗的增大，而且在旋流的中心區(qū)域附近翅片的換熱得到很大的削弱，這與翅片要“前疏后密”法則吻合，即在管前部空氣與翅片換熱較好，開縫可以稀疏一點；而在管后半部，空氣與翅片的換熱有較大的削弱，需要進行強化，故此處開縫應當密一點，上述計算結果也能很好地說明這一點。從整個流場來看，溫度場的分布在很大程度上受到速度場的影響，故合適的進風速度對于換熱器的性能有著重要的影響。流體與換熱器的平均對流傳熱系數(shù)與流體進出口壓降是評價換熱器換熱性能的兩個重要指標。為此，圖5和圖6給出了換熱器對流換熱系數(shù)和進出口壓降隨風速的變化關系。圖5對流傳熱系數(shù)隨風速變化的關系圖6進出口壓差隨風速變化的關系從圖5中可以看出，空氣與翅片的對流傳熱系數(shù)隨著風速的增加而增加，但增加的速率呈減小趨勢。圖6給出了進出口壓降隨風速的變化關系，可以看出，風速的增加導致空氣進出口壓降增加，且增加的速率加快。結合圖5、圖6可知，風速增加會帶來對流傳熱系數(shù)呈較慢速度增大，但卻導致空氣進出口壓降呈較快速度增大。也即在一定的風速范圍內，對流換熱系數(shù)隨風速的增加變化明顯，而當風速增大到一定程度時，對流換熱系數(shù)的增加顯得緩慢，但這個過程中空氣的進出口壓降卻呈加速增加趨勢。故對于翅片換熱器來說，并非提高風速就能很好地提高對流傳熱系數(shù)，同時還應考慮到風速增加導致阻力增加的問題，這一點對于換熱器的設計需要引起我們的重視。3.2換熱過程的場協(xié)同分析我國學者過增元等[3-6]對邊界層型流動的能量方程在熱邊界層內積分，證明了減小速度矢量與溫度梯度之間的夾角是強化對流換熱的有效措施，這一基本思想被稱之為“場協(xié)同”原理(Fieldsynergyprinciple)。之后，這一理論不斷在數(shù)值和實驗中得到驗證和實際應用，文獻[7-8]對有詳細的介紹，在此不再贅述。為了更進一步解析空氣與翅片對流換熱過程的基本機制，利用場協(xié)同原理對該過程進行了分析。速度場與溫度場夾角平均值定義為：（7）式中：為最小截面平均風速();=0.7，為動力粘度(Pa/s)。圖7.全場平均夾角隨風速變化關系從圖7中可以發(fā)現(xiàn)，隨著風速的增加，全場的平均場協(xié)同角度逐漸增加。根據(jù)場協(xié)同原理，風速的增加導致對流換熱過程速度場和溫度梯度場的協(xié)同性能變差，使對流換熱過程在同等情況下有一定削弱。而風速的增加確實能夠帶來換熱量的增加，但這個過程中換熱量增加的根本原因在于風速增加帶來的流量增大。4結論（1）在進風溫度一定時，風速增加使空氣進出口溫差減小。風速增加導致管后旋流區(qū)域增大，使內部流動粘性阻力增加。（2）空氣與翅片換熱器對流換熱系數(shù)隨著風速的增加而增加，但增加速率呈減小趨勢；空氣進出口壓降隨風速的增加而呈加速增加趨勢。（3）風速增加帶來換熱量增加的根本原因在由于風速增大帶來的流量增大；風速增加反而導致對流換熱過程中溫度梯度場與速度場的協(xié)同性能變差。參考文獻：[1]陶文銓.數(shù)值傳熱學(第2版)[M].西安：西安交通大學出版社，2001.pp353～356.[2]過增元,黃素逸.場協(xié)同原理與強化傳熱新技術[M].北京:中國電力出版社,2004.pp39～44.[3]GuoZY,LiDY,WangBX.ANovelConceptforConvectiveHeatTransferEnhancement[J].InternationalJournalofHeatmassTransfer,1998,41(14):2221～2225.[4]WANGS,LIZX,GUOZY.Novelconceptanddeviceofheattransferaugmentation[C].Proceedingsof11thInternationalConferenceofHeatTransfer,August23-28，1998，Kyongju,Korea.1998，5：405～408.[5]GUOZY,WANGS.Novelconceptandapproachesofheattransferenhancement[C].ProceedingsofSymposiumonEnergyEngineeringinthe21stCentury,NewYork：BegellHouse,2000：118～126.[6]過增元.對流換熱的物理機制：速度場與溫度場的協(xié)同[J].科學通報,2000,45(19):2118～2122.[7]GuoZY，TaoWQ，ShahRK.Thefields