平直翅片管翅式换热器流动与传热数值模拟

平直翅片管翅式换热器流动与传热数值模拟 徐百平3 1, 2　江　楠1　程卓明2　刘元峰2　朱冬生3 (1 华南理工大学工控学院　2 广东科龙电器股份有限公司博士后工作站　3 华南理工大学化工学院) 　　　摘　要　采用 F luen t 软件, 建立了考虑边界加密的六面体网格模型, 对平直翅片管 换热器通道内的传热与流阻进行了数值模拟计算。得到了传热系数与 Fann ing 流阻 系数 f 的沿程分布, 以及速度、温度分布。同时, 得到了不同操作参数下的平均N u 和 Fann ing 阻力系数 f , 为进一步采用强化传热 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 打下基础。 　　　关键词　传热　平直翅片　流动　数值模拟 0　前言 　　管翅式换热器是空调中最常用的换热器结 构形式。研究发现[ 1, 2 ] , 管翅式换热器热阻分布 规律为: 管内热阻与铜管翅片的接触热阻及管 外空气侧的热阻比为 2∶1∶7, 可见管外翅片 的换热仍然是制约换热器效能的主要因素。因 此, 强化空气侧的换热成了管翅式换热器强化 传热的重要问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 。平直翅片由于便于加工制造 及装配简单, 使用过程中不易发生形变, 是空 调换热器常用的翅片形式之一, 国内外学者对 其进行了大量的理论与实验研究。 　　R ich (1971)发现片间距对换热系数有显著 影响, 而管排数对空气压降几乎没有影响。 Sparrow 在研究此问题时指出, 边界层的发展 是制约单排管换热特性的重要因素。后来, To riko sh i(1994) 对板间通道进行了 3D 数值模 拟, 发现只要翅片间距足够小, 管子后旋涡将 被翅片的“壁面效应”所抑制, 此时整个流场 将处于层流状态。R icardo (2000)也对板间的流 体行为进行了 3D 模拟[ 3 ] , 同时, 借助可视化实 验技术, 揭示了翅片间距对传热、流阻的影响。 可以清楚地看到, 翅片间距对流动及传热行为 的不同影响趋势, 对于一定的约束条件, 翅片 间距存在强化传热的最佳值。康海军 (1994)对 9 种平直翅片管的传热与阻力进行了实验研 究[ 4 ] , 发现片间距对传热的影响依赖于临界R e 数, 对于层流来讲, 片间距的增加会导致换热 的下降, 而对于阻力而言, 片间距越大, 阻力 越小, 且 2 排管的性能优于 3、4 排管。宋富强 (2002)对不同风速下的传热机理进行场协同数 值研究[ 5 ] , 得到了不同位置速度矢量与温度梯 度的协同程度, 发现低起流速度时, 全场的温 度梯度与速度协同程度好, 因而换热速率随流 速几乎线性增加, 但管子背风侧的换热强度较 差。何江海 (2003)对双排管整体翅片进行了数 值模拟[ 6 ] , 得到了速度与压力场分布, 发现风速 在 015～ 315m ös 范围内, 对流给热系数及压力 降均随流速呈线性增长。何雅玲等人[ 7 ]采用数 值模拟方法研究了多排管束纵横向间距对传热 的影响, 发现传热随着两种间距的增大而减小, 进一步场协同原理总体平均 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 表明, 横向管3 徐百平, 男, 1969 年生, 博士。广州市, 510641。 64 平直翅片管翅式换热器流动与传热数值模拟 © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 距越小, 纵向管距越大, 热、流场总体协同性 越好。 　　但必须看到, 前人的研究过分注重了强化 传热技术的应用, 没有对管子存在流体阻力及 其对强化传热效果的影响给予充分考虑。因此, 本文在对单排管平直翅片进行流动与传热数值 模拟研究的基础上, 提出了减阻强化传热的新 概念, 并进行了相应的数值计算研究, 为进一 步的工程实践应用提供参考。 1　数学模型建立 　　单排管平直翅片换热器的结构如图 1 所 示, 本文计算采用的结构尺寸是目前商用空调 换热器常用的尺寸, 管子直径D = 7151mm , 单 元宽度W = 17mm , 单元长度L = 11mm , 翅片 间距 S = 1141mm , 翅片厚度 ∆= 01105mm。由 于结构的对称性, 计算物理模型取整个宽度的 一半、间距的一半来进行。由于温度变化不大, 采用常物性假设。本文模拟冷凝器中的传热与 流动, 边界条件的具体确定如下: 忽略翅片和 铜管的接触热阻, 翅片根部及翅片翻边部分温 度 T f= 318K, 翅片表面温度分布采用翅片导热 与空气翅片表面对流换热的耦合求解。空气进 入冷凝器的温度为 T in = 308K。其余边界条件 为: 对于翅片边缘及中剖面采用绝热处理, 对 于空气流道取为对称边界条件。计算采用 FLU EN T 610 来完成, 设流动为稳定的层流, 为 保证计算的稳定性及物理模型的可靠性, 将进 口区延长 1 倍管径, 出口区延长到管子直径的 图 1　单排管平直翅片管翅式换热器单元结构 10～ 20 倍距离, 采用 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 的S IM PL E 算法来求 解压力速度耦合问题, 动量方程及能量方程均 采用二阶迎风差分格式。 　　为保证计算精度, 计算采用全流场六面体 网格划分, 管子周围及流体近翅片区域采用边 界层加密处理, 最大尺寸为 011mm , 部分网格 结构如图 2 所示。收敛控制条件是速度、连续 性条件、能量平衡条件, 计算控制误差均为 1× 10- 6, 并保证计算结束时通道阻力系数CD 保持 不变, 并检验流体进出换热单元的总体热平衡 达 10- 3W 量级。改变入口风速条件分别计算传 热及阻力, 本计算在个人 PC 机上完成。 图 2　流场计算部分网格划分 2　数值模拟结果分析 　　给定不同的进风速 u= 011～ 110m ös, 各参 数定义如下: R e= ΘD euΛ N u= hD eΚ f = ∃p015Θu2 图 3　翅片通道中分面内速度分布 74《化工装备技术》第 26 卷 第 4 期 2005 年 © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 其中, Θ为空气密度 (kgöm 3) , D e 为管子外径 (m ) , u 为平均空气流速 (m ös) , Λ为空气粘度 (Paõs) , h 为空气给热系数[W ö(m 2õK) ], ∃p 为气体经过换热器平均压降 (Pa) , N u 为换热 努塞尔特数, f 为 Fann ing 阻力系数。图 3～ 5 为进口风速 u= 013m ös 时的计算结果。 图 4　翅片通道内给热系数 h [W ö(m 2K) ]分布 图 5　翅片通道内沿程 Fanning 阻力系数 f 分布 　　从上面的计算结果可以看出, 由于管子的 存在, 即使在负压操作的条件下, 空气进入换 热器的风量分布也仍不均匀。管子后面存在死 区, 并产生量级不大的滞留涡流, 这使得管子 后面的翅片面积不能得到有效的利用, 甚至还 导致空气加热翅片的逆向导热现象。翅片的前 缘效应使得传热得到强化, 管子的传热主要发 生在管子的迎风面。阻力沿程分布表明, 阻力 分布不均匀, 翅片前后缘的局部阻力较大, 翅 片表面近管壁区中前部也存在局部阻力极大 值, 但这一区域的传热并不大。在给定的操作 范围内模拟发现, Η的范围在 60°～ 84°之间, 这 一位置随着R e 数的增大而前移, 见图 6 所示。 图 6　翅片通道内沿程 Fanning 阻力系数分布 　　图 7 为换热器通道内流动空气的温度分 布, 从平行翅片间距中分面及垂直于翅片换热 管中分面的温度分布可以看出, 管子背风面由 于死区的存在导致空气的温度比较高, 通道中 部的温度渐变, 出口近 313K。图 8 为翅片表面 的温度分布, 可知翅片内的温度分布在接近管 图 7　翅片间距及管间距中分面内温度分布 (K) 84 平直翅片管翅式换热器流动与传热数值模拟 © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 壁区梯度较大, 然后渐趋均匀, 基本上保持恒 壁温。 图 8　翅片表面温度分布 (K) 　　图 9、10 为不同操作R e 数下平均传热与阻 力特性, 传热随着R e 数的增大而提高, 但R e 数增大到 150 左右时, 传热提高的幅度渐趋平 缓。通道内的阻力系数随着 R e 数的增大而减 小, 减小的幅度随着R e 数提高而减小。通过对 管翅式换热器通道内的数值模拟, 不但能够揭 示流动与传热的沿程分布特性, 而且能够计算 平均总体效果。 图 9　N u 随R e 数的变化 3　结论 　　采用 F luen t 软件, 建立了考虑边界加密的 六面体网格模型, 对平直翅片管换热器通道内 的传热与流阻进行了数值模拟计算。结果表明, 由于管子的存在, 即使在负压操作的条件下, 空 气进入换热器的风量分布也仍不均匀。管子后 图 10　f 随R e 数的变化 面存在死区, 甚至还导致空气加热翅片的逆向 导热现象。翅片的前缘效应使得传热得到强化, 管子的传热主要发生在管子的迎风面。阻力分 布不均匀, 翅片前后缘的局部阻力较大, 翅片 表面近管壁区中前部也存在局部阻力极大值, 但这一区域的传热并不大, 这一位置随着R e 数的增大而前移。随着流速的提高, 传热得到 强化, 阻力系数相应下降。若要进一步强化传 热, 须对管子背风侧进行考虑。 参　考　文　献 　1　陈楠, 申江, 等. 管翅式表冷器数值模拟与性能分析. 低 温与超导, 2003, 31 (2) : 60- 64 　2　刘卫华. 百叶窗型和波形管片式换热器性能实验研究. 石油化工高等学校学报, 1996, 9 (2) : 49- 53 　3　Kays W M , L ondon A L. Compact heat exchangers. 3rd ed. M cGraw - H ill, N ew Yo rk: 1984. 　4　R icardo R M , Sen M , et al. Effect of fin spacing on con2 vection in a p late fin and tube heat exchanger. In t J H eat M ass T ransfer, 2000, 43: 39- 51 　5　康海军, 李妩, 李慧珍, 等. 平直翅片管换热器传热与 阻力特性的实验研究. 西安交通大学学报, 1994, 28 (1) : 91- 98 　6　宋富强, 屈治国, 何雅玲, 等. 低速下空气横掠翅片管 换热规律的数值模拟. 西安交通大学学报, 2002, 36 (9) : 899- 902 　7　何江海, 陈蕴光, 徐正本, 等. 风冷式平直翅片管换热 器的数值分析. 制冷与空调, 2003, 3 (4) : 26- 28 (收稿日期: 2004210219) 94《化工装备技术》第 26 卷 第 4 期 2005 年 © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net