翅片管式換熱器空氣側流動及換熱性能的數(shù)值模擬

陳 彪， 余 敏， 龍時丹， 王曉陽

（1.上海理工大學能源與動力工程學院，上海 200093；2.上海法維萊交通車輛有限公司，上海 201906）

翅片管式換熱器空氣側流動及換熱性能的數(shù)值模擬

陳 彪1， 余 敏1， 龍時丹2， 王曉陽1

（1.上海理工大學能源與動力工程學院，上海 200093；2.上海法維萊交通車輛有限公司，上海 201906）

借助CFD軟件對3種不同類型的翅片管式換熱器（平直翅片、均勻波紋翅片和傾角漸增波紋翅片）的流動傳熱性能進行了三維數(shù)值模擬計算，得出了在不同入口風速下各流域中心面的溫度場、壓力場和速度場分布圖，計算出各翅片表面在不同風速下的平均傳熱系數(shù)和阻力系數(shù)，并與相關實驗數(shù)據(jù)對比，證明該數(shù)值模擬的正確性.研究結果表明，傾角漸增波紋翅片的平均努謝爾數(shù)比平直翅片的高13.8%～29.3%，比均勻波紋翅片的高5.5%～10.3%，其強化傳熱效果顯著.

翅片管式換熱器；數(shù)值模擬；傳熱系數(shù)；阻力系數(shù)

目前，翅片管式換熱器已廣泛應用于石油化工、航空航天、車輛工程、動力機械及低溫制冷等領域.由于翅片管式換熱器的主要熱阻為空氣側熱阻，因而合理設計翅片結構和增強翅片側傳熱性能是改善翅片管式換熱器性能最有效也是最常用的途徑.傳統(tǒng)方法主要是使用波形翅片和孔槽型翅片，國內外學者對翅片管式換熱器空氣側的換熱進行了許多實驗和數(shù)值模擬的研究工作.例如，陳瑩等對不同迎面風速下平直翅片和波形翅片進行了數(shù)值模擬和實驗的對比研究［1］.Wongwises和Chokeman實驗研究了波形翅片管式換熱器的翅片傾斜度和管排數(shù)對空氣側換熱性能的影響，結果表明，雷諾數(shù)高于2 500時，隨著翅片傾斜度的增加，阻力系數(shù)增加，但是，對換熱因子的影響不是很顯著；雷諾數(shù)低于4 000時，換熱因子和阻力系數(shù)隨著管排數(shù)的增加而降低［2］. Jang和Chen通過數(shù)值模擬研究了三維波形翅片管式換熱器中的傳熱和流動特性，結果表明，波形翅片的換熱因子比相應的平直翅片的高63%～73%，阻力系數(shù)也高出75%～102%［3］.信石玉和崔曉鈺利用數(shù)值模擬的方法，研究了空調系統(tǒng)用的翅片管式換熱器的開縫翅片的開縫微肋結構對翅片整體的流動與傳熱特性的影響，得出翅片開縫微肋在既定工況下存在最佳傾斜角度等結論［4］.作者使用CFD軟件對平直翅片管換熱器和波紋翅片管換熱器的空氣側氣流進行了三維數(shù)值模擬，其中，波紋翅片管又分為均勻波紋翅片與傾角漸增波紋翅片，得出了3種類型翅片換熱器的速度場、溫度場及壓力場的分布情況，其結果對工程應用及換熱器研究具有一定的參考價值.

1 物理及數(shù)學建模

1.1 幾何模型及邊界條件

首先對計算模型作幾點簡化和假設：

a.忽略輻射換熱，不考慮換熱管軸向傳熱及管排間的逆向導熱.

b.馬赫數(shù)較低，流動是不可壓縮流動.

c.翅片導熱系數(shù)無限大，即翅片上的溫度均勻分布.

d.忽略翅片和管外壁的接觸熱阻.

數(shù)值模擬使用的是商業(yè)軟件Fluent 6.3.26，由前處理軟件Gambit 2.4.6建立三維模型并劃分網(wǎng)格.翅片的材料為鋁，3種翅片的結構尺寸如表1所示，邊界條件設置如表2所示.以均勻波紋翅片管為例，它的計算區(qū)域及邊界條件定義分別如圖1和圖2所示.u為空氣入口速度，T為空氣溫度.

表1 翅片幾何尺寸Tab.1 Sizes of fin

表2 邊界條件Tab.2 Boundary condition

1.2 數(shù)學模型

空氣入口速度u取值范圍為0.5～5.0 m／s，雷諾數(shù)Re＜2 000，因此，空氣在翅片間的流動狀態(tài)為層流.控制方程參考文獻［5］.

質量守恒方程

式中，ui為速度分量；xi為坐標分量；ρ為空氣密度.

圖1 均勻波紋翅片計算區(qū)域示意圖Fig.1 Sketch of computational domain of average pitch wave-fin

動量守恒方程

式中，uk為速度分量；μ為空氣動力黏度；p為壓力.

能量守恒方程

式中，k為空氣導熱系數(shù)；cp為空氣比定壓熱容.

圖2 邊界條件示意圖Fig.2 Sketch of boundary conditions

2 研究方法

通過CFD軟件的前處理軟件Gambit建立三維模型，將流域中心面設置為周期邊界并劃分周期網(wǎng)格.對于平直翅片，由于結構相對簡單，使用的是六面體和四面體混合結構網(wǎng)格，而對波形翅片采用的是四面體非結構網(wǎng)格.在Fluent軟件中設置翅片和換熱管為固體壁面邊界條件，溫度固定在318 K.求解器中設置能量方程和動量方程的離散格式為二階迎風格式，選取Simple算法求解壓力速度耦合方程.為保證精度，在求解迭代過程中需使連續(xù)性方程和動量方程殘差小于10-3，能量方程殘差小于10-6，并檢驗進出口流體熱流量差是否達到10-3W量級，假如滿足以上條件，可認為計算已經(jīng)收斂［6］.本文設定迭代步數(shù)為1 000，計算收斂后再對結果進行分析和討論.

3 結果分析與討論

3.1 不同翅片形式的換熱流動情況分析

選取空氣入口速度為2 m／s時流域中心面的溫度場、壓力場和速度場分布進行分析討論.

分析圖3可以看出，由于平直翅片表面平坦光滑，氣體所受擾動較弱，換熱過程比較柔和，溫度等值線光滑而均勻，呈分層波紋狀.而對于波紋翅片，氣流擾動較強，換熱強烈，溫度場分布不均且變化劇烈，溫度等值線分布紊亂，呈狹長帶狀.在迎風側，溫度梯度較大，換熱強烈；在背風側，恰好相反.這是因為背風面發(fā)生繞流脫體影響了換熱，波紋翅片對繞流脫體現(xiàn)象有一定的破壞作用，因而波紋翅片增強了換熱效果.

圖3 溫度場分布Fig.3 Distribution of temperature fields

分析圖4（見下頁）可以看出，平直翅片的壓力場均勻分布，為分層波紋狀.而波紋翅片的壓力場比較紊亂，分層比較狹長.由于波紋翅片對流場的擾動作用比平直翅片的大，因而造成的阻力損失較大，要保持相同的進口流速和進出口壓力，必須增大風機的功率.在最小流通截面的兩側，壓力先降后升，近壁面處有負壓區(qū)存在，這是因為流體在繞流圓管時，流通截面的變化引起速度變化，導致空氣靜壓先減后增，從而出現(xiàn)沿程壓力的周期性變化.

分析圖5（見下頁）可以看出，空氣橫掠叉排管束時由于流通截面的漸縮和漸擴作用，使流動速度產(chǎn)生周期性的交替變化，同時在背風面產(chǎn)生了局部的回流和漩渦，但是，相比平直翅片，波紋翅片的脫體回流區(qū)較小，這樣就增強了背風側的換熱效果.

3.2 不同空氣入口速度下?lián)Q熱情況分析

空氣入口速度與壓降Δp、換熱量Q之間的變化關系曲線如圖6和圖7所示.

圖4 壓力場分布Fig.4 Distribution of pressure fields

圖5 速度矢量分布Fig.5 Distribution of velocity vector

圖6 空氣入口速度與換熱量關系曲線Fig.6 Curve of velocity vs.quantity of heat

圖7 空氣入口速度與壓降關系曲線Fig.7 Curve of velocity vs.pressure drop

分析圖6可以看出，3種翅片換熱器的換熱量都隨空氣入口速度的增大呈現(xiàn)遞增的趨勢.以3 m／s的入口速度為例，均勻波紋翅片和傾角漸增波紋翅片的換熱量分別是平直翅片的1.18倍和1.23倍，即在相同工況下，傾角漸增波紋翅片的換熱效果最好，而平直翅片的最差.但是，從圖7可以看到，隨著空氣入口速度的增大，各翅片管式換熱器的壓力損失也顯著增大，且傾角漸增波紋翅片的增幅最大，最大時為平直翅片的2.03倍，即翅片類型對阻力性能有很大的影響.由此可以認為，波紋翅片增強了傳熱效果，壓力損失也相應增加.但是，在對換熱器體積要求嚴格且需要較高換熱量的場合，波紋翅片的優(yōu)勢是顯而易見的，而且傾角漸增波紋翅片比均勻翅片的換熱效果更佳.

雷諾數(shù)Re與阻力系數(shù)f、努謝爾數(shù)Nu之間的關系曲線如圖8和圖9所示.

分析圖8和圖9也能得出上述相同的結論，即傾角漸增波紋翅片的換熱效果最好，同時阻力損失也最大.本文對均勻翅片的數(shù)值模擬的計算結果略大于文獻［1］中的實驗數(shù)據(jù)，如圖9所示，其雷諾數(shù)Re與努謝爾數(shù)Nu之間的關系曲線變化趨勢一致，誤差在10%以內，其影響因素主要是實驗散熱損失及翅片實際尺寸與設計尺寸的誤差.因此，可以認為數(shù)值模擬的計算結果是相對可靠的.

圖8 雷諾數(shù)與阻力系數(shù)關系曲線Fig.8 Curve of Re vs.f

圖9 雷諾數(shù)與努謝爾數(shù)關系曲線Fig.9 Curve of Re vs.Nu

4 結 論

a.平直翅片的溫度場、壓力場分布均勻，呈分層波紋狀；波紋型翅片的溫度場、壓力場分布相對紊亂，呈狹長帶狀.

b.在其它工況不變時，增大空氣入口速度可以增強翅片的換熱效果，同時，空氣入口速度的增大也會使阻力損失增加，所以，空氣入口速度的提升應當在壓降允許范圍之內.

c.流體橫掠平直翅片時，速度場的變化相對平緩，脫體漩渦區(qū)域較大，不利于背風面換熱；而對波紋翅片，流場速度變化劇烈，脫體區(qū)漩渦形成受阻，因而有利于背風面充分換熱.

d.雷諾數(shù)Re在400～1 500的范圍內，波紋翅片的傳熱性能強于平直翅片的，因為，波紋翅片不僅可以加大流道的長度，而且它波紋狀的流道使流體充分混合，從而增強了傳熱效果；波紋翅片改變了流體的速度場，減小了速度矢量和熱流密度矢量的夾角，從而增強了場協(xié)同的程度，強化了換熱［7］.

e.空氣入口速度在0.5～5.0 m／s時，傾角漸增波紋翅片的換熱系數(shù)比平直翅片的高13.8%～29.3%，傾角漸增波紋翅片的壓降損失比平直翅片的高14.1%～108.2%；均勻波紋翅片的換熱系數(shù)比平直翅片的高8.3%～18.9%，均勻波紋翅片的壓降損失比平直翅片的高10.0%～71.8%.因此，在實際工程應用中可以按照換熱器的運行工況和使用條件選擇不同類型的翅片.

［1］ 陳瑩，高飛，高岡大造，等.翅片管式換熱器空氣側性能的數(shù)值模擬［C］∥中國制冷學會2009年學術年會論文集.北京：中國制冷學會，2009：1-5.

［2］ Wongwises S，Chokeman Y.Effect of fin pitch and number of tube rows on the air side performance of herringbone wavy fin and tube heat exchangers［J］. Energy Conversion and Management，2005，46（13／14）：2216-2231.

［3］ Jang J，Chen L K.Numerical analysis of heat transfer and fluid flow in a three-dimensional wave-fin and tube heat exchanger［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，1997，40（16）：3981-3990.

［4］ 信石玉，崔曉鈺.微肋角度對開縫翅片流動與傳熱性能影響的三維數(shù)值模擬［J］.上海理工大學學報，2009，31（6）：525-528.

［5］ 王福軍.計算流體動力學分析——CFD軟件原理與應用［M］.北京：清華大學出版社，2004.

［6］ 韓占忠，王敬，蘭小平.FLUENT流體工程仿真計算實例與應用［M］.北京：北京理工大學出版社，2004.

［7］ 過增元.換熱器中的場協(xié)同原則及其應用［J］.機械工程學報，2003，39（12）：1-9.

（編輯：石 瑛）

Numerical Simulation of Heat Transfer and Fluid Flow in Fin and Tube Heat Exchanger on the Air Side

CHENBiao1， YUMin1， LONGShi-dan2， WANGXiao-yang1
（1.School of Energy and Power Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China；2.Shagnhai Faively Traffic Equipment Co.，Ltd.，Shanghai 201906，China）

The performance of flow and heat transfer of three kinds of fin and tube heat exchangers including plane fin，average pitch wave-fin and increasing pitch wave-fin heat exchangers were numerically simulated with CFD software，and the distributions of temperature，pressure and velocity on each central plane of fluid region were obtained.In addition，the mean surface heat transfer coefficient and resistance coefficient of fin were measured under different wind velocity.The numerical results were proved to be correct by the available experimental data.The study indicates that Nu number of the increasing pitch wave-fin is 13.8%～29.3%higher than the plane fin，and 5.5%～10.3%higher than the average pitch wave-fin，thus achieving remarkable heat transfer enhancement.

fin and tube exchanger；numerical simulation；heat transfer coefficient；resistance coefficient

TK 121

A

2013-08-13

陳 彪（1989-），男，碩士研究生.研究方向：數(shù)值傳熱.E-mail：greycat161＠126.com

余 敏（1952-），女，教授.研究方向：能源有效利用與節(jié)能技術.E-mail：usstym＠qq.com

1007-6735（2014）04-0307-05

10.13255／j.cnki.jusst.2014.04.001