【doc】自然对流条件下两种垂直放置纵向翅片管传热特性的数值分析

【doc】自然对流条件下两种垂直放置纵向翅片管传热特性的数值分析 自然对流条件下两种垂直放置纵向翅片管 传热特性的数值分析 第35卷 Vo1.35 第4期 No.4 山东大学(工学版) JOURNALOFSHANDONGUNIVERSITY(ENGINEERINGSCIENCE) 2005年8月 Aug.2005 文章编号:1672—3961(2005)04—0030—05 自然对流条件下两种垂直放置纵向翅片管 传热特性的数值分析 邱燕,田茂诚,孙平,程林 (山东大学能源与动力工程学院,山东济南250061) 摘要:采用数值计算的方法对垂直放置的封闭式纵向翅片管和开放式纵向翅片管自然对流条件下的传热特性进 行研究,得到了在基管恒壁温条件下两种不同类型翅片管周围的温度场与速度场,及其散热量,金属热强度及自 然对流换热系数.结果表明,封闭式纵向翅片管的散热量,金属热强度以及自然对流换热系数都要高于开放式翅 片管.因此在结构参数一定时,封闭式纵向翅片管要优于开放式翅片管. 关键词:数值计算;封闭式翅片管;开放式翅片管;自然对流 中图分类号:TKl24文献标识码:A Numericalstudyonheattransferperformanceoftwotypes longitudinalfinnedtubeinfreeconvection QIUYan,TIANMao—cheng,SUNPing,CHENGLin (SchoolofEnergyandPowerEngineering,ShandongUniversity,Jinan250061,China) Abstract:Numericalcomputationmethodswereadoptedtostudyheattrans~rperformanceoflongitudinal closedfirmedtubeandopeningfinnedtubeinfreeconvection,Thetemperaturefield,velocityfield,heatdis— sipatingcapacityoftwodifferenttypesoffinnedtubesaswellasfreeconvectionheattrans~rcoefficientunder theconditionofconstanttemperatureofparenttubewereobtained.Asaresult,heatdissipatingcapacity,met— althermalintensityandfreeconvectionheattransfercoefficientofthelongitudinalclosedfinnedtubealehigher thanthoseoftheopenfinnedtube.Therefore,longitudinalclosedfinnedtubeissuperiortotheopenfinned tubewiththesanqestructureparameters. Keywords:numericalcomputation;closedfinnedtube;openfirmedtube;freeconvection 0引言 随着工业技术的发展,垂直放置的封闭式纵向 翅片管和开放式纵向翅片管在工业和生活中的应用 越来越广泛'",但目前对这2种翅片形式的传热性 能还缺乏深入研究.本文利用数值模拟的方法,通过 比较开放式翅片管和封闭式翅片管换热区域的速度 及温度分布情况以及两种翅片管的散热量和金属热 强度,确定两种翅片管传热特性的优劣. 1翅片管结构及 数学 数学高考答题卡模板高考数学答题卡模板三年级数学混合运算测试卷数学作业设计案例新人教版八年级上数学教学计划 模型 封闭式翅片管与开放式翅片管结构如图1和图 收稿日期:2005-02—21 作者简介:邱燕(1975一),女,山东潍坊人,讲师,博士研究生,从事强化传热及循环流 化床方面的研究 E—mail:anneqiu@sdu.edu.cn 32山东大学(工学版)第35卷 7和图8.2种翅片管的散热量和金属热强度'的对 比见图9和图10.自然对流换热系数的对比见图 11. 图4开放式翅片管与封闭式翅片管出口速度场对比 Fig.4'llaeoutletvelocityfieldsofopenfinnedtubeand closedfinnedtube 图5开放式翅片管与封闭式翅片管在纵向 XZ截面处速度的矢量图分布 Fig.5Thevelocityvectorgraphsofopenfinnedtubeand closedfinnedtubeinlongitudinalXZsection 图6开放式翅片管与封闭式翅片管出口温度场对比 Fig.6Theoutlettemperaturefieldsofopenfinnedtube andclosedfinnedtube 观察图4可以看到,开放式翅片管气流升速区 域集中在基管和翅片表面附近,最大速度出现在翅 片夹角内部翅片与基管交接处;在封闭通道外部,封 闭式翅片管气流升速区域与开放式翅片管相比,区 域形状和流速大小无明显差别;在封闭通道内部,封 闭式翅片管形成一个环形升速区间,在升速的强度 和广度上明显优于开放式翅片管.封闭式翅片管中速 度最高点出现在封闭空间内部的环形升速区域中. 图5显示了封闭式翅片管和开放式翅片管在纵 向XZ截面处的速度矢量分布情况.开放式翅片管 通道内部速度分布呈"M"型,封闭式翅片管通道内 "型,封闭式翅片管通道内部的速 部速度分布呈"? 度分布明显优于开放式翅片管. 图6显示了2种类型翅片管出口温度场的对比 情况,开放式翅片管升温区域贴近基管和翅片的表 面,封闭式翅片管虽然在封闭通道外部与开放式翅 片管情况相同,但在封闭通道内部,可以发现整个通 道内的气体都有显着温升. O.2O.30.40.50.6 距离底部的距离/m 巨亟歪 图7封闭式翅片管与开放式翅片管中心点温度分布 Fig.7Thecentertemperaturedistributionsofopenfinned tubeandclosedfinnedtube 一0.6 三05 箬: O ……… -JHn一一一一0 r .?J.—?-?- .?—?_?一一 1r1r一一 中心点的位置见图1,中心点处网格为35×26, 高度从翅片管人口0.1m(距离底部)至翅片管顶部 0.6m.从图7中可以看出,流经封闭式翅片管的空 气温度提升显着,空气从人口20.6?升至39.1?, 温差为l8.5?;流经开放式的温度升高不大,空气 从人口20.1?升至24.6?,温差仅为4.5?;分析 图8可知,无论翅片管的形式是封闭的或开放的,空 气被加热后速度都沿高度方向上升,而且封闭式翅 ???:2m p\_, 第4期邱燕,等:自然对流条件下两种垂直放置纵向翅片管传热特性的数值分析33 片管的速度要明显高于开放式翅片管.对比图7和 图8还可发现,对封闭式翅片管,随着高度的增加, 空气的温度上升,速度在入口处先迅速增加,后增速 变缓到最后速度还有所下降.取其它位置作观测点 时得出了相似的结论. 盖 3045607590 翅片夹角 图92种类型封闭式翅片管与开放式翅片管散热量的 对比 Fig.9Theheatdissipatingcapaciiesof'twotypesofopen finnedtubesandtwotypesofclosedfinnedtube . —二==-—,一一r '二二一' 304560759O 翅片夹角 图102种类型封闭式翅片管与开放式翅片管金属热 强度的对比 Fig.10Themetalthermalintensitiesoftwotypesofclosed finnedtubeandtwotypesofopenfinnedtube 量:慝图E====三ll 巢4誓=,===L== 翅片管的散热量随翅高和夹角的变化高出对应形式 的开放式翅片管19%,38%,而金属热强度则高出 54%,96%.(2)30lnln翅片高度时翅片管的散热量 和金属热强度在各翅片夹角情况下均高于同种形式 下20mln翅片高度的翅片管.(3)无论翅片形式是封 闭或开放,散热量和金属热强度都随着翅片夹角的 增大而增大. 从图11中可以看出,对开放式翅片管,当翅片 ,自然对流换 高度发生改变(从20rain到30lnln)时 热系数基本不变,翅片夹角发生变化时,自然对流换 热系数也变化不大;对封闭式翅片管,翅片高度发生 改变(从20mln到30mil1)时,自然对流换热系数也 随之增大.与开放式翅片管相比,封闭式翅片管的自 然对流换热系数随翅高和夹角的变化可分别高出 28%,45%. 综合以上分析,我们可以发现封闭式翅片管的 散热量和金属热强度都高于开放式翅片管;而流经 封闭式翅片管后被加热的空气温升更大,速度更高, 自然对流换热系数也高出很多.所以结构参数相同 的封闭式翅片管的传热性能要明优于开放式翅片 管. 封闭式翅片管之所以优于开放式翅片管,主要 是因为封闭式翅片管的基管与相邻的翅片问形成了 封闭的"竖直通道",产生了类似烟囱的"抽吸"作用. 由于基管和翅片的温度较高,使得靠近基管和翅片 的空气受到了加热,温度升高,密度变小;未受加热 的空气温度较低,密度较大.受壁面加热的气体由于 密度差产生.『较大的浮升力,当浮升力大于粘性力 时,就产生了较高向上的流速.流速越高,自然对流 换热系数越大,当换热面积一定时,换热量就越大: 换热量越大,平均传热系数越大,金属热强度就越 高.当空气被加热至一定程度时,空气与壁面的温差 变小,密度差变小,浮升力变小,速度的增加会变得 缓慢;当空气到达翅片管顶部时,由于上部已经没有 "竖直通道"的"抽吸",速度反而下降. 在开放式翅片管中,由于没有形成封闭的通道, 仅在近壁面处产生空气的"爬升",形成温度和速度 边界层,而且由于是开放的通道,周围的冷空气会随 时与被加热后的气体混合,产生的抽吸作用就小了 ?如??53I975IIIOO0 一.一..李一\越曹苣壤童『 34山东大学(工学版)第35卷 很多,密度差变小,流速显着降低,对流换热系数变 小,换热较差. 4结论 通过数值计算分析多种形式的纵向封闭式翅片 管和纵向开放式翅片管,对比了2类翅片管在传热 特性上的差异,结果表明纵向封闭式翅片管在传热 性能上明显优于纵向开放式翅片管,计算结果如下: (1)纵向封闭式翅片管形成的封闭的垂直通道 内产生了较强的抽吸作用,使得封闭通道中的流速 要高于开放式的,同时流经封闭式翅片管的空气温 升也高于对应形式的开放式翅片管. (2)基管恒壁温时,当纵向封闭式翅片管和开放 式翅片管的基管和翅高的结构尺寸相同时,纵向封 闭式翅片管的散热量随翅高和夹角的变化高出对应 形式的开放式翅片管19%,38%,而金属热强度则 高出54%,96%. (3)纵向封闭式翅片管对流换热系数随翅高和 夹角的变化分别比纵向开放式翅片管高出28% 45%. 参考文献: [1]黄素逸,廖四清.椭圆矩形翅片管采暖散热器的优化研 究[J].华中理工大学,1994,22(增):52—56. HUANGSu—yi,LIAOSi—qing.Optimizationoftheheatingradi- atorwithrectarlg【llarfinnedellipticaltubesEJ].JournalofHua— zhongUniversityofScience&Technology,1994,22(added): 52—56. [2]陶文铨.数值传热学[M].西安:西安交通大学出版社, 20D3. TAOWen—quan.Numericalheattransfer[M].Xi'an;Xi'an JiaotongUniversityPress,2003. [3]杨世铭,陶文铨.传热学[M].北京:高等教育出版社, 1998. YANGShi-ming,TAOWen—quan.Heattransfer[M].Beijing: HigherEducationPress,1998. [4]萧日嵘,牟灵泉,董重成.民用供暖散热器[M].北京:清 华大学出版社,1996. XIAOYue-rong,MULing-quan,DONGChong-cheng.Dom— esticheatingradiator[M].Beijing:TsinghuaUniversityPress, 1996. (编辑:许力琴)