平直-波紋翅片橢圓管外空氣流動與傳熱特性的數(shù)值研究

陰繼翔,馬建宗,武廣劍,高 源

(1.太原理工大學(xué) 電氣與動力工程學(xué)院,太原 030024;2.深圳和泰源材料科技有限公司,深圳 518057)

平直-波紋翅片橢圓管外空氣流動與傳熱特性的數(shù)值研究

陰繼翔1,馬建宗1,武廣劍1,高 源2

(1.太原理工大學(xué) 電氣與動力工程學(xué)院,太原 030024;2.深圳和泰源材料科技有限公司,深圳 518057)

利用三維穩(wěn)態(tài)湍流數(shù)值模擬方法,研究了物性參數(shù)為常數(shù)的空氣在波紋翅片橢圓管和4種不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的平直-波紋復(fù)合翅片橢圓管換熱器翅片間的換熱與流阻特性,揭示了空氣進(jìn)口流速(或雷諾數(shù)Re)、平直-波紋復(fù)合翅片中波紋段占有比例以及所處位置對翅片表面平均努塞爾數(shù)Nu、壓差損失Δp和翅片管綜合換熱性能因子j/f影響的規(guī)律。結(jié)果表明,復(fù)合翅片中波紋段所處的位置對換熱強度的影響顯著,但對流動壓降(Δp)的影響甚微;復(fù)合翅片中波紋翅片所占比例的多少是影響Δp的關(guān)鍵因素;翅片寬度方向平均Nu(x)的變化主要發(fā)生在翅片起始段,不同結(jié)構(gòu)翅片末段的Nu(x)值相差很小,但此處的波紋翅片卻會使總壓降增加,即翅片末段宜采用平直翅片;幾種翅片橢圓管換熱器的綜合性能j/f均有最佳值產(chǎn)生,起始段為6個波長波紋翅片與末尾段為8個波長的平直翅片形成的復(fù)合翅片橢圓管換熱器的綜合性能最佳。研究結(jié)果將對翅片管換熱器的選型設(shè)計提供理論指導(dǎo)。

平直-波紋翅片;橢圓翅片管;局部換熱特性;綜合性能系數(shù)

管式換熱器最常用的強化換熱方法是在對流換熱系數(shù)較小的換熱管外空氣側(cè)加裝不同形式的翅片,通過增大該側(cè)的換熱面積來減少對流換熱熱阻,平衡管內(nèi)外兩側(cè)的熱阻,進(jìn)而達(dá)到強化傳熱的目的。在動力、能源、冶金、化工、空調(diào)與制冷等領(lǐng)域已有各種形式的翅片管換熱器得到了廣泛的應(yīng)用,常用的翅片類型主要有平直型、波紋型以及開縫型(條縫型、百葉窗型)。與平直翅片相比,波紋翅片增加了介質(zhì)的有效流動長度和換熱面積,同時增強了流體的擾動,進(jìn)而換熱得以強化。管翅式換熱器中的管型有圓管、橢圓管和扁管。國內(nèi)外學(xué)者已對上述不同管型與翅片組合而成的翅片管換熱器管外側(cè)流體流動與傳熱特性進(jìn)行了較為廣泛的研究。辛榮昌等[1]對不同管排數(shù)以及不同翅片間距的9種三角形波紋翅片管換熱器進(jìn)行了傳熱及阻力特性的實驗研究,討論了管排數(shù)以及翅片間距的影響,并對三角形波紋翅片與平直翅片的結(jié)果進(jìn)行了比較,發(fā)現(xiàn)三角形波紋翅片的傳熱特性優(yōu)于平直翅片。Wang et al[2]對包括管排數(shù)、翅片間距和管道排列方式不同的18種波紋翅片管換熱器進(jìn)行了實驗研究,發(fā)現(xiàn)翅片間距對換熱因子j的影響微不足道,管排數(shù)對摩擦因子f的影響可忽略不計。Han et al[3]對兩種不同管徑的圓管、橢圓管與兩種強化肋片(波紋翅片和百葉窗翅片)形成的管翅式換熱器通道內(nèi)流體流動及換熱特征進(jìn)行了數(shù)值研究，結(jié)果表明,橢圓管翅片換熱器不僅可以減少翅片側(cè)流體流動阻力,同時還可以有效提高翅片效率,而且大管徑圓管的換熱效率更高一些；對于百葉窗翅片的強化作用,其換熱系數(shù)提高產(chǎn)生的效果比由其傳熱面積增加產(chǎn)生的效果更顯著。He et al[4]采用穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)模型對平直翅片管換熱器管外通道內(nèi)流動與換熱數(shù)值模擬的結(jié)果表明,兩種模型得到的平均Nu差異僅為0.35%。馮麗麗等[5]對矩形翅片幾何中心與橢圓管中心存在偏移時管外空氣流動與換熱進(jìn)行了數(shù)值研究，結(jié)果表明,管子向下游偏移增加了空氣入口區(qū)域翅片的有效換熱面積,減小管后低速尾流區(qū)換熱惡化的影響,從而提高了總的換熱系數(shù);同時尾流區(qū)的減小可使得流動阻力降低,綜合性能得以提高。文獻(xiàn)[6，7]研究了流體在不同相位差的正弦型波紋通道內(nèi)作周期性充分發(fā)展的層流流動，以及在三角形波紋通道內(nèi)作湍流流動時強化換熱的特性,探討了上下波紋板相位差以及湍流對流動與換熱的影響，結(jié)果表明,換熱性能的改善需要以阻力損失的增大為代價。Tao等[8]重點討論了不同傾角(0°，10°，20°)三角形波紋翅片管表面局部Nu數(shù)以及翅片效率的分布,發(fā)現(xiàn)沿流動方向翅片對流換熱系數(shù)逐漸減小,而翅片的效率通常卻在逐漸增加;適當(dāng)增加管道迎風(fēng)側(cè)波紋翅片面積與波紋傾角,可增強換熱,減少阻力損失。文獻(xiàn)[9]對15種具有相同管型和翅片間距的平直類、波紋類、百葉窗和翼型類管翅式換熱器進(jìn)行了實驗研究，發(fā)現(xiàn)翅片表面結(jié)構(gòu)形式對換熱性能有顯著影響,其中以百葉窗形式的翅片管換熱效果最佳,但文中沒有涉及到平直-波紋或其它組合形式的翅片管換熱器。周俊杰等[10]對平直翅片、均勻波紋翅片和前平直-后波紋翅片與圓管組成的翅片管換熱器進(jìn)行了模擬分析,得出了均勻波紋翅片換熱效果最好,但相應(yīng)的阻力損失也最大的結(jié)論。

綜上所述,對波紋翅片管換熱器的研究多集中在翅片厚度、翅間距、波紋形狀等幾何參數(shù)對換熱和流阻的影響分析,對平直-波紋翅片偏心橢圓管束外空氣流動傳熱特性的研究還鮮有報道。文獻(xiàn)[10]僅對前平直-后波紋各占一半的翅片圓管結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模擬研究,主要討論了平均特性,缺少局部特征的研究，為此筆者對平直-波紋復(fù)合翅片偏心橢圓管束外空氣流動傳熱特性進(jìn)行數(shù)值研究,探討復(fù)合翅片中波紋翅片比例以及波紋所處的位置對傳熱及阻力的影響,旨在尋求最優(yōu)的翅片結(jié)構(gòu)。

1 物理問題及數(shù)值方法

1.1 物理問題

圖2 翅片單元結(jié)構(gòu)示意圖

圖1為德國GEA公司研發(fā)的矩形翅片橢圓管換熱器,已被國內(nèi)大型電站直接空冷凝汽器廣泛采用。筆者在此基礎(chǔ)上對翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行模擬優(yōu)化,即采用平直-波紋翅片組合的形式(稱為復(fù)合翅片)以及波紋翅片偏心橢圓管,其單元結(jié)構(gòu)如圖2所示。橢圓管長、短軸分別為a，b;矩形翅片長、寬、厚度和間距分別為A，B，δf，δ;波紋傾角及波長為θ與l;橢圓管前端與矩形翅片前端距離為c,具體數(shù)值參見表1所示。為方便表達(dá),將5種不同的翅片結(jié)構(gòu)用符號表示為:B-B(均勻波紋)，P4B10，P8B6，B10P4，B6P8。其中“B”表示波紋,“P”表示平直,翅片長度包含14個波長,數(shù)字代表以一個波長為單位的平直或波紋翅片的數(shù)量,并以流動方向進(jìn)行排序(見圖2)?？紤]到實際結(jié)構(gòu)在管高度方向上的對稱性,為了節(jié)省計算資源并提高計算的速度,選擇相鄰翅片單元結(jié)構(gòu)的一半為研究對象,即選擇翅片厚度與相鄰翅片間距的一半空間作為計算區(qū)域,如圖2所示。

表1 平直-波紋翅片偏心橢圓管幾何尺寸 (mm)

1.2 控制方程及邊界條件

本文計算采用物性參數(shù)為常數(shù)的空氣,并假定流動為三維、準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)湍流,計算采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型,其控制方程包含連續(xù)性方程、動量方程、能量方程以及k-ε方程，具體內(nèi)容參見文獻(xiàn)[10]。為防止入口效應(yīng)和出口回流對數(shù)值模擬結(jié)果產(chǎn)生影響,將進(jìn)、出口區(qū)分別延長3倍和7倍橢圓管短軸的長度。橢圓管壁溫度恒定,空氣入口溫度及速度均勻(在0.5～ 4.0 m/s之間),出口采用局部單向化條件。翅片中剖面為無滑移的絕熱條件,與流體接觸的翅片表面為耦合面,其余邊界為對稱條件。

1.3 數(shù)據(jù)處理所用參數(shù)的定義

數(shù)值模擬及數(shù)據(jù)整理中所需參數(shù)定義如下:

雷諾數(shù):

努塞爾特數(shù):

傳熱因子:

阻力系數(shù):

式中:De,L,Um,λ,cp,υ分別為當(dāng)量直徑(取橢圓管短軸長度)、翅片沿主流方向的長度(即為A)、空氣在最小截面處的最大流速、空氣的導(dǎo)熱系數(shù)、定壓比熱和運動粘度；Δp為空氣進(jìn)出口壓降,定性溫度取空氣進(jìn)出口截面上的平均溫度。為對比分析有相同的基準(zhǔn),Re中的物性參數(shù)及特征速度(Uin)取進(jìn)口截面上的值。

1.4 計算區(qū)域網(wǎng)格化與數(shù)值方法

由于平直-波紋翅片橢圓管換熱器管外波紋擾動作用的影響，使得其通道內(nèi)的流動極為復(fù)雜,與平直翅片橢圓管換熱器相比,流動可能會在較低的雷諾數(shù)下過渡到湍流。另外,研究者對矩形翅片橢圓管換熱器數(shù)值模擬所采用的流動模型也不盡一致。文獻(xiàn)[8,12]使用穩(wěn)態(tài)層流模型,文獻(xiàn)[3,5]使用穩(wěn)態(tài)湍流模型,筆者所選模型及其他條件與文獻(xiàn)[5]較為接近。為此，選擇穩(wěn)態(tài)標(biāo)準(zhǔn)湍流k-ε模型(其合理性分析參見算法驗證部分),速度與壓力的耦合采用標(biāo)準(zhǔn)SIMPLE算法,對流項的離散采用一階迎風(fēng)格式。采用非均勻的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分計算區(qū)域,并在固體壁面附近區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密(見圖3所示)。方程迭代收斂殘差條件為:連續(xù)性方程1×10-6;動量方程1×10-6;k-ε方程1×10-7;能量方程1×10-8。

圖3 部分網(wǎng)格結(jié)構(gòu)示意圖

2 算法的驗證

圖4 計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)的對比

為考核本文物理模型及數(shù)值方法的可靠性,應(yīng)用Laminar、RNGk-ε和標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型,對文獻(xiàn)[1]提供的實驗數(shù)據(jù)及算法進(jìn)行了驗證,計算結(jié)果與文獻(xiàn)[1]實驗數(shù)據(jù)的對比示于圖4中。由圖可知,標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型所得的翅片表面平均Nu與實驗結(jié)果的誤差最小;RNGk-ε模型得到的阻力系數(shù)f誤差最?。欢鴺?biāo)準(zhǔn)k-ε模型與RNGk-ε模型的結(jié)果很接近。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型得到的翅片表面平均Nu以及阻力系數(shù)f與實驗結(jié)果的最大誤差分別為15%和10%,符合一般的工程應(yīng)用要求,可以認(rèn)為本文采用穩(wěn)態(tài)標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型以及數(shù)值方法是合理可靠的。

3 計算結(jié)果及分析

3.1 翅片表面平均及局部的努塞爾數(shù)

圖5 翅片表面平均Nu與Re的關(guān)系圖

翅片表面平均Nu能直觀表示翅片的換熱效果,也是工程實際中需要提供的重要參數(shù)。翅片表面平均Nu隨Re的變化關(guān)系示于圖5。由圖可知,隨著Re的增加,翅片間流體擾動強度增強,換熱器通道內(nèi)的流動及熱邊界層減薄,使得翅片表面平均Nu得以提升,但提升的幅度逐漸減緩,這意味著通過增加Re來增加換熱量的效果是有限的;另外,平均Nu值的大小不僅與翅片中波紋翅片面積的比例有關(guān),而且還與波紋翅片所處的位置有關(guān)。幾種翅片表面平均Nu值的排序為:B-B>B10P4>B6P8>P4B10>P8B6。該順序表明,在波紋翅片所處位置一致的情況下,波紋翅片面積占的比例越大,其換熱能力越強,而且波紋布置在翅片入口段對Nu值提升顯著；平直-波紋翅片中波紋位置變化的影響比波紋翅片占整個翅片面積比例多少的影響更顯著；位于翅片起始段較少的波紋翅片(B6P8)比位于翅片末段較多翅片(P4B10)換熱效果好,以較小的換熱面積(AB6P8

式中：B為y方向上翅片寬度；Nu(x,y)為翅片表面的局部Nusselt數(shù)。

圖6給出了5種不同結(jié)構(gòu)復(fù)合翅片橢圓管外空氣入口流速為3 m/s時Nu(x)的變化。由圖可知,橢圓管迎風(fēng)側(cè)翅片前緣部分的Nu(x)急劇變大,而后沿空氣流動方向逐漸減小,這是由于流動及熱邊界層逐漸增厚,換熱熱阻增大之故;橢圓管背風(fēng)側(cè)由于尾流區(qū)的存在使此處Nu(x)降到最小。另一方面,空氣沿主流方向流動過程中不斷被加熱,使其與翅片表面的溫差逐漸減小,從而使翅片的換熱強度逐漸下降;同時由于波紋擾流對換熱增強的作用也逐漸下降,致使在翅片末段為波紋翅片與平直翅片的Nu(x)值相差甚小,表明在翅片末段采用波紋強化換熱的收效甚小;而此處采用波紋翅片卻會使總壓降大大增加(見下文)。為此,復(fù)合翅片末段采用平直翅片較為合理。

圖6 翅片寬度方向平均Nu(x)沿主流方向的變化

3.2 平直-波紋偏心翅片橢圓管進(jìn)出口壓降

圖7給出了波紋翅片橢圓管和4種平直-波紋復(fù)合翅片橢圓管外通道內(nèi)空氣進(jìn)出口壓降Δp隨Re變化的關(guān)系?？梢钥闯?波紋翅片橢圓管外通道內(nèi)流體壓降Δp最大,而4種復(fù)合翅片橢圓管中流體的壓降與波紋所占比例的多少有關(guān),隨復(fù)合翅片中波紋翅片比例的增多,其Δp逐漸增加;復(fù)合翅片中波紋所處的位置對Δp的影響甚微。

圖7 波紋翅片橢圓管的壓降Δp與Re關(guān)系圖

3.3 綜合性能分析

圖8 綜合性能指標(biāo)j/f 隨Re的變化關(guān)系

換熱器設(shè)計的宗旨是希望在較低的壓力損失下獲得較高的換熱量,要考慮換熱增強的同時使得阻力損失增大的影響,即對換熱器綜合性能進(jìn)行評估。本文采用參數(shù)j/f作為評價指標(biāo),此值越大,意味著在同樣的泵功條件下完成同樣的換熱量所需的迎風(fēng)面積越小。不同翅片管結(jié)構(gòu)j/f隨Re的變化見圖8所示。由圖可見,所研究的翅片管換熱器的j/f值均在Re≈1 328的附近出現(xiàn)最大值,隨后j/f急劇下降,其中B-B型翅片管的j/f下降平緩,表示適當(dāng)增大Re可改善綜合換熱性能,但Re對B-B型翅片管綜合性能的影響程度相對較小;不過Re較大時,B-B型翅片管翅片末段波紋擾動的強化作用還是值得考慮的。在Re<1 328時,B-B型翅片管換熱器的綜合性能最差,將部分波紋翅片用平直翅片取代可使綜合性能提高。隨著復(fù)合翅片波紋翅片占有比例的增加,其綜合性能逐漸降低;此外,復(fù)合翅片中波紋翅段所處位置的不同,綜合性能也有明顯差異,同樣比例的波紋翅片置于翅片前段比置于末段的效果好。其中,由翅片末段為8個波長的平直翅片形成的復(fù)合波紋橢圓管的綜合換熱性能最優(yōu)(B6P8)。

為了更好地比較復(fù)合翅片與波紋翅的性能,圖9提供了以B-B型翅片管傳熱因子j及阻力系數(shù)f為基準(zhǔn)的復(fù)合翅片管j與f的相對值隨Re的變化。在Re<1 328時,平直-波紋復(fù)合翅片橢圓管換熱器的綜合換熱性能優(yōu)于波紋翅片管換熱器的性能,其比值均大于1;在換熱量相同的條件下,B6P8型復(fù)合翅片橢圓管換熱器所需迎風(fēng)面積最小。

圖9 B-B翅片管j與f隨Re的變化關(guān)系

4 結(jié)論

通過對波紋及平直-波紋復(fù)合翅片偏心橢圓管外翅片間空氣流動與換熱特性的數(shù)值模擬計算,得到如下結(jié)論:

1) 翅片表面Nu和翅片通道內(nèi)空氣進(jìn)出口壓降Δp均隨Re的增加而增大,但翅片表面平均Nu隨Re增加的幅度逐漸減緩,而壓降Δp增加的幅度卻逐漸增大;此外,復(fù)合翅片中波紋段所處的位置對橢圓管換熱器的換熱強度的影響顯著,但對壓降Δp的影響甚微;復(fù)合翅片中波紋段所占比例的多少是影響Δp的關(guān)鍵因素。波紋翅片橢圓管換熱器的換熱效果最好,但相應(yīng)的壓力損失最大。

2) 翅片寬度方向平均Nu(x)沿流動方向變化主要發(fā)生在翅片的起始段,不同結(jié)構(gòu)翅片末段Nu(x)相差較小,但壓力損失變化明顯,因此翅片末段不宜采用波紋型結(jié)構(gòu)。

3) 幾種翅片橢圓管換熱器的綜合性能j/f在所研究的Re范圍內(nèi)均有最佳值產(chǎn)生,適當(dāng)增大Re可改善綜合換熱性能;波紋翅片被部分平直翅片取代可使綜合性能提高;波紋翅片在復(fù)合翅片占有比例越多,其綜合性能越低。

4) 研究的Re范圍內(nèi),B6P8型復(fù)合翅片橢圓管換熱器的綜合性能最佳;在Re<1 328時,平直-波紋復(fù)合翅片橢圓管換熱器的綜合換熱性能優(yōu)于B-B型翅片管換熱器的性能。

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(編輯：龐富祥)

Numerical Study of Air Flow and Heat Transfer Characteristics on the Outside of Combined Plane-wavy Fin-and-oval Tube

YIN Jixiang1,MA Jianzong1,WU Guangjian1,GAO Yuan2

(1.CollegeofElectrical&PowerEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024，China;2.ShenzhenandTaiyuanMaterialTechnologyCompany,Shenzhen518057，China)

A 3-D steady and turbulent numerical simulation was employed to investigate the flow and heat transfer characteristics of air,having constant properties,in fin-and-oval tube heat exchangers with wavy fin or wavy-plain combined fin. The investigation reveals the effect of air inlet velocity or Reynolds number (Re),wavy fin proportion and location in the combined fin on the average Nusselt number (Nu) of the whole fin surface, the pressure loss(Δp) and the coefficient of performance (j/f). It is found that, within the studiedRerange,the wavy location in conbined fin has a significant influence on the Nu,but has little effect on the Δp; however, the wavy fin proportion is a key factor for the Δp. The change of average Nusselt number in the width direction(Nu(x)) along flow direction occurs mainly at the fin leading edge,and theNu(x) has a smaller difference at the fin rear section for different fin configurations.So it is more suitable to locate plain fin to the rear section rather than wavy fin, which can further reduce the pressure loss penalty while maintains the enhanced heat transfer. For all studied objects,the optimumj/fcan be achieved.The finned oval tube heat exchanger with a combination of 6 wavelength wavy fin and 8 wavelength plain fin arranged along flow direction has maximumj/fvalue.

plane-wavy fin;finned oval tube;local heat transfer characteristic;coefficient of performance

1007-9432(2015)04-0455-06

2015-01-16

國家自然科學(xué)基金面上項目:日光溫室動態(tài)熱濕環(huán)境作用下土壤-空氣換熱器熱濕傳遞規(guī)律及數(shù)理模型研究(51476108);山西省自然科學(xué)基金資助項目:翅片管換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)對流與換熱性能影響的機理研究(2012001024-4)

陰繼翔(1964-),女,山西平遙人,博士,副教授,主要從事對流換熱強化及新型換熱設(shè)備開發(fā)研究,(Tel)13485362659

TU832.3

A

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2015.04.019