热动论文--平翅片表面流动和换热的数值模拟研究.doc

平翅片表面流动和换热的数值模拟研究 摘要：利用fluent软件，采用加密的六面体和四面体网格，建立了翅片管式换热器用矩形平翅片的三维物理模型，对空气内掠翅片表面的流动与换热进行数值模拟求解，得到其在不同风速下的速度场、温度场和努谢尔特数分布。模拟结果与实验数据进行了比较，模拟值偏大，但最大相对误差不超过10.8%。分析了翅片表面换热的薄弱部位，为确定积霜工况下翅片表面强化传热最佳的开孔位置提供了理论依据。 关键词：矩形翅片；换热器；传热性能；数值模拟 1、前言 矩形翅片是翅片管式制冷换热器中使用得最为普遍的一种片型，其优点是：结构简单，清洗方便，加工容易，适应性强。为满足加工和清洗方面的要求，长期以来翅片管式换热器中主要采用平翅片，但由于平翅片仅依靠增加换热面积来达到强化传热的目的，因此换热效果较差。因此各种开槽、穿孔等高效换热翅片在平翅片基础上发展起来，并逐渐取代平翅片，成为干工况以及湿工况下工作的翅片管式换热器中应用的主要片型，如国内外普遍采用的波纹型翅片、条缝型翅片、百叶窗型翅片等高效换热翅片。但条缝翅片、百叶窗型翅片等由于孔缝狭窄，使用在制冷换热器上易被霜层堵塞，从而丧失其强化传热特征，造成阻力增加，除霜周期缩短，能耗增加。因此，积霜工况下工作的制冷换热器目前仍然普遍使用平翅片。 近年来，制冷换热器用翅片形式的研究取得了一定的进展，文献[1]研究了多种表面变形片的强化传热特征，并根据单片矩形翅片表面的换热系数分布[2]，提出在翅片上换热性能的薄弱区域开大直径圆孔，从而改善翅片的换热效果[3]。但文献[2]对局部换热系数分布的研究仅局限于单片矩形翅片，与翅片管的实际情况有明显差异。苏华[4]和范亚明[5]等人通过正交优化实验，获得了2种优化片型，即沿管开对称大直径圆孔翅片以及双侧开非对称大直径圆孔-半圆孔交叉翅片，实验表明：在最窄截面风速Umax=1~8m/s的范围内，双侧穿孔方案中最优片型的风侧当量换热系数h0比平翅片增加了22.6%~30.4%，平均增幅达29.5%，△P最大增幅不超过8%；双侧开非对称圆孔-半圆孔的交叉翅片方案中最优片型的h0比平翅片增加了14.3%~20.9%，平均增幅达18.7%，△P最大增幅不超过6%。高建卫等[6]利用家用冰箱制冷系统，分别采用圆孔-半圆孔交叉优化翅片、圆孔优化翅片以及平翅片管式制冷换热器，进行积霜工况下的传热和制冷性能对比性实验研究。结果表明：与平翅片相比，当最窄截面风速为0.5m/s时，积霜工况下圆孔翅片的传热性能最好，其传热系数平均提高了11.53%；对流换热系数平均提高了18.84%；制冷系数平均提高了6.83%；有效制冷量平均提高了6.02%，节省电能6.39%，且积霜工况下圆孔不易堵塞，可较长时间内维持较好的强化传热特征。 研究矩形平翅片表面的速度分布和换热系数分布，找出该类翅片表面换热的薄弱环节，对于有针对性地采用强化传热措施，研制新型高效翅片管式制冷换热器具有非常重要的意义。本文根据文献[4]矩形翅片管实验试件的结构建立数学模型，运用数值模拟的方法，耦合分析求解出翅片表面的速度分布、温度分布和努谢尔特数分布，模拟结果与文献[4]实验数据进行了比较，证实了模拟结果的正确性。 2、模拟计算模型 2.1、几何模型 单排管平翅片管式换热器实验样件的尺寸如下：管子外径D0=25mm，翅片厚度δ=0.5mm，管间距Y=76mm，翅片间距S=10mm，翅片宽度W=61mm，如图1所示： （a） (b) 图1 实验样件图 由于结构的对称性，模拟计算时取样件其中一个单元作为模型。为保证空气无入口效应和出口无回流现象，入口延长了1倍管外径，出口延长4倍管外径（如图（b）虚线所示）。本文利用Fluent软件的Gambit模块，对模型采用分块网格划分的方法进行离散，对某些规则的区域采用六面体网格以减少网格数目，对一些不规则区域采用四面体网格，对重点研究的区域采用了加密网格，进出口附近采用粗网格。通过采用不同的网格划分检验了网格无关性，最后得到总的网格单元数为15万多个。 2.2、边界条件 由于温度变化不大，采用常物性假设。本文主要模拟换热器空气侧的传热与流动，并根据实验的具体情况，确定边界条件如下： （1） 忽略翅片和钢管的接触热阻和翅片与基管间的辐射换热，翅片根部及钢管的表面温度 K，翅片表面温度分布采用翅片导热、翅片表面与空气间的对流换热耦合求解； 空气进入换热器的温度297.8K； 翅片的导热系数为常数； 对翅片边缘及中剖面采用绝热边界条件，对于空气流道取为对称边界条件； 翅片及圆管材料为钢材。 本文采用FLUENT6.0软件计算,计算模型采用标准两方程模型，各方