肋片焊接方式對其傳熱的影響

張 旭，趙浩亮，楊 瑞，車?yán)ッ?/p>

（同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 201804）

在工程實(shí)際中，為了提高材料吸收室內(nèi)熱量的能力，在天花板內(nèi)表面上安裝了碳鋼材料的散熱片，即肋片.肋片，又稱翅片，是指依附于基礎(chǔ)面上的擴(kuò)展表面，旨在材料消耗量增加較少的條件下，較多地增大換熱面積，增強(qiáng)傳熱效果.

研究表明，將肋片加入圍護(hù)結(jié)構(gòu)可以有效地加強(qiáng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)與空氣的換熱，增加圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄熱量［1］.通常情況下肋片是直接焊接在肋基上的，這樣會造成肋片底部和肋基之間不完全接觸，從而產(chǎn)生接觸熱阻，以及焊接材料也直接參與換熱.

目前國內(nèi)對肋片傳熱研究的專家、學(xué)者很多，其中中國空間技術(shù)研究院任德鵬等人研究了肋片高度、肋片數(shù)、肋片厚度及管壁溫度對肋片散熱性能的影響；大連理工大學(xué)邱慶剛等人，分析了肋片幾何形狀對仿螺旋肋片內(nèi)冷通道流動與換熱的影響；上海理工大學(xué)周騫等人研究了肋片間距對環(huán)形通道流動和換熱的影響；楊立分析了接觸熱阻對環(huán)肋穩(wěn)態(tài)換熱的影響.而對于肋片焊接尺寸以及焊接形狀對焊接后整個肋片的換熱量和換熱系數(shù)的影響卻未見有文獻(xiàn)報(bào)道.因此，本文對該問題的研究，不僅具有重要的理論意義，而且具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義.

1 對象描述

通過對鑄造肋片和焊接肋片傳熱過程的模擬，得到焊接施工對整個肋片的換熱影響.

研究對象為肋片，肋片高度為228.6mm，肋基長228.6mm，厚度為12.5mm，鋼板用剪力釘固定在混凝土墻上，如圖1所示.根據(jù)焊接工藝，焊接肋片時在焊接處一般會形成兩種焊接接頭，即T形接頭和角接接頭［2］.

圖1 肋片鑄造示意圖Fig.1 Schematic of molten fins

本研究的肋片焊接采用角焊接（焊接方式一）和T型焊接（焊接方式二）兩種方式，其焊接示意圖如圖2，3所示.

圖2 肋片焊接方式一（角焊接）示意圖Fig.2 Schematic of the first method of welded fins－fillet welds

圖3 肋片焊接方式二（T型焊接）示意圖Fig.3 Schematic of the second method of welded fins－T－joint fillet welds

由于焊接過程中肋片和肋基有部分并不是完全接觸，中間存在接觸熱阻，本文將這部分看成是一塊特殊材料.底板材料和肋片材料皆是不銹鋼板，不銹鋼與不銹鋼的接觸熱阻范圍是（2.2～5.88）×10－4m2·K·W－1，本研究選擇其最不利情況，即肋片與鋼板的接觸熱阻為5.88×10－4m2·K·W－1的情況，進(jìn)而求解得出焊接處特殊材料的導(dǎo)熱系數(shù).

材料參數(shù)如表1.

表1 材料參數(shù)表Tab.1 Material Parameters

2 理論基礎(chǔ)

根據(jù)肋片的蓄、放熱性，表面?zhèn)鬟f的熱量記為Q，其理論基礎(chǔ)為對流換熱基本方程［3－4］：

式中：h為對流換熱系數(shù)；tn為肋片周圍的流體溫度；t為不銹鋼的壁面溫度；p為肋片與周圍流體接觸的周長；dx為所截取微元面的寬度.

通過CFD數(shù)值模擬，得出其對流換熱量和傳熱的平均溫度，然后通過計(jì)算得出對流換熱系數(shù).

3 模擬工況設(shè)置

根據(jù)傳熱學(xué)原理簡化問題，假設(shè)如下：

（1）材料的導(dǎo)熱系數(shù)λ、對流換熱系數(shù)h以及沿肋高方向的橫截面積Ac均各自為常數(shù)；

（2）肋片溫度在垂直于紙面方向（即長度方向）不發(fā)生變化，取一個截面（即單位長度）來分析肋片沿長度方向的溫度變化.

由于該模型周圍氣流速度較慢且周圍環(huán)境參數(shù)穩(wěn)定，所以模型采用穩(wěn)態(tài)、層流的計(jì)算模型；采用第三類邊界條件，底邊溫度設(shè)置為20℃，環(huán)境溫度為30℃，肋片、電焊材料以及底板上邊暴露在空氣中，直接與空氣對流換熱.

工況設(shè)置如表2所示.

表2 模擬工況設(shè)置表Tab.2 Table of simulation conditions setting

4 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

根據(jù)模擬結(jié)果分析可知焊接處的溫度變化并不顯著，溫度變化不顯著的原因跟其材料的導(dǎo)熱系數(shù)和與空氣的對流換熱系數(shù)大小有關(guān).導(dǎo)熱系數(shù)是對流換熱系數(shù)的8倍左右，數(shù)值模擬時設(shè)置的底板下表面溫度是20℃，底板厚度僅有12.5mm，所以才導(dǎo)致模擬底板溫度變化不大.另外由于焊接處存在一定的熱阻以及與高溫空氣有較大的接觸面積，從而導(dǎo)致遠(yuǎn)離肋基處的肋片溫度較肋基和焊接處高.

計(jì)算結(jié)果如表3所示.

表3 焊接方式一的計(jì)算結(jié)果表Tab.3 Calculation result table of the first welding method

圖4 焊接方式一換熱量變化量Fig.4 Heat change of the first welding method

圖5 焊接方式一對流換熱系數(shù)變化量Fig.5 Convective heat transfer coefficient change of the first welding method

圖6 焊接方式二換熱量變化量Fig.6 Heat change of the second welding method

圖7 焊接方式二對流換熱系數(shù)變化量Fig.7 Convective heat transfer coefficient change of the second welding method

表4 焊接方式二的計(jì)算結(jié)果表Tab.4 Calculation result table of the second welding method

從表3，4可以得出，肋片焊接之后，對其對流換熱量和換熱系數(shù)有一定的影響，但影響較小.對流換熱量隨焊接尺寸的變化而變化，先減小后增大.對于焊接方式一，變化最大的是2L＝0.6H工況，換熱量減小2.79%，變化最小的是2L＝2H工況，相差僅0.88%；對于焊接方式二，變化最大的是2L＝0.5H工況，換熱量減小3.26%，變化最小的是2L＝2H工況，相差僅0.28%.對流換熱系數(shù)呈波浪形變化，但有減小的趨勢.

5 結(jié)果與討論

本文在前人的基礎(chǔ)上建立針對肋片傳熱的控制方程，然后建立2種不同焊接方式的物理模型，并對其進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)數(shù)據(jù)模擬的結(jié)果分析得出以下結(jié)論：

（1）肋片焊接之后，對其對流換熱量和換熱系數(shù)有一定的影響，但影響較小.

（2）根據(jù)焊接尺寸的變化，兩種焊接方式的換熱量呈“V”型變化，先減小后增大.對于焊接方式一，變化最大的是2L＝0.6H工況，換熱量減小2.79%，變化最小的是2L＝2H工況，相差僅0.88%；對于焊接方式二，變化最大的是2L＝0.5H工況，換熱量減小3.26%，變化最小的是2L＝2H工況，相差僅0.28%.

（3）根據(jù)焊接尺寸的變化，兩種焊接方式的對流換熱系數(shù)呈波浪形變化，但有減小的趨勢.

［1］張彥，鮑謙，曾彪，等.鋼筋混凝土試塊蓄熱實(shí)驗(yàn)研究［J］.暖通空調(diào)，2012，42（6）：114－118.ZHANG Yan，BAO Qian，ZENG Biao，et al.Thermal storage experiment of reinforced concrete specimens［J］.Journal of HV ＆ AC，2012，42（6）：114－118.

［2］中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局中國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB／T 19867.1—2005電弧焊焊接工藝規(guī)程［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005.AQSIQ，SAC.GB／T 19867.1－2005Welding procedure specification for arc welding［S］.Beijing：China Standards Press，2005.

［3］章熙民，任澤霈，梅飛鳴.傳熱學(xué)［M］.第5版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.ZHANG Ximin，REN Zepei，MEI Feiming.Heat transfer theory［M］.5thed.Beijing：China Construction Industry Press，2008.

［4］賈力，方肇洪，錢興華.高等傳熱學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2007.JIA Li，F(xiàn)ANG Zhaohong，QIAN Xinghua.Advanced heat transfer［M］.Beijing：Higher Education Press，2007.