基于COMSOL的波紋翅片傳熱特性數(shù)值仿真研究*

蘭麗玲

(閩南理工學院 福建泉州 362700)

翅片管換熱器是常見熱交換器[1]，廣泛應用于動力、建筑、醫(yī)療、空調(diào)制冷等領域，這種換熱器因具有結(jié)構緊湊、便于加工、重量輕、經(jīng)濟效益好的優(yōu)點，故在航空、汽車空調(diào)、石化、深低溫宇宙航天部門等領域得到了越來越廣泛的應用[2]。翅片管換熱器有平直翅片、波紋翅片、打孔式翅片和百葉窗翅片[3]。波紋翅片管由于內(nèi)流介質(zhì)的流向在不斷的改變從而充分湍流，提高了熱量交換和傳熱效率[5]。理論表明對不同的進風口流速、不同厚度和不同波紋傾角的情況下翅片管道的波紋翅片的傳熱和流動特性進行數(shù)值模擬，比較翅片進口速度、翅片厚度、翅片波紋角對流動換熱性能的影響，空氣進口速度的增加，波紋翅片的f減少，而j因子增加。隨著翅片厚度和波紋角度增加，j因子增長緩慢，而f因子增長較大。文章應用COMSOL軟件構建正弦波翅片和人字波紋翅片模型，3種波紋角度和2種波紋厚度在3種流速情況下，對波紋片的換熱器進行數(shù)值模擬，從獲得的數(shù)據(jù)中選取換熱性能最優(yōu)的波紋片角度和波紋片厚度。

1 幾何模型的構建

建立兩種波紋翅片分別為人字形波紋翅片三維模型圖(圖1)和正弦翅片波紋三維模型圖(圖2)，均采以波紋角度為12°和波紋翅片厚度為0.1mm的波紋翅片，這兩種波紋翅片材料均以鋁為主，翅片管的材料則以銅材料為主[10]。波紋翅片換熱器參數(shù)如表1所示。

圖1 人字形波紋翅片三維模型圖

圖2 正弦波紋翅片三維模型圖

表1 波紋翅片換熱器參數(shù)

翅片厚度(mm)波紋角(°)銅管外徑(mm)翅片材料翅片間距(mm)0.1126鋁1.5156鋁1.5186鋁1.50.2126鋁1.5156鋁1.5186鋁1.5

2 數(shù)學模型的建立

由于波紋管傳熱過程發(fā)生在管道內(nèi)，從管道流過的流體為空氣[11]，為了便于數(shù)值模擬，建立控制微分方程如下：

(1)連續(xù)性方程：

(1)

式中：u，ν，ω分別為x，y，z方向流速，m/s；ρ為流體密度，kg/m3。

(2)動量和能量守恒方程：

(2)

式(2)中：φ為通用變量；Γφ為廣義擴散系數(shù)；Sφ為廣義源項[12]。

考慮到模型的周期性和對稱性，文章采用兩排交叉的波紋管作為計算區(qū)域，這樣對稱交叉有益于傳熱效果，同時也便于整個數(shù)值模擬的計算[13]。模型入口設置為速度，出口設置為壓降，空氣進口速度分別為0.1m/s、0.2m/s、0.3m/s，方向沿x軸方向，空氣進口溫度313.15K，翅片和翅片管溫度318.15K[14]。為了便于計算，將設置好的幾何模型進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分選用物理場控制網(wǎng)格極粗化，以此來減少求解時間[15]。

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1 人字形波紋翅片在不同厚度、翅片角和入口速度下的溫度場

人字形波紋翅片在不同厚度、翅片角和入口速度下的溫度場如圖3所示。

翅片角12°,厚度0.1mm翅片角12°厚度0.2mm翅片角15°厚度0.1mm翅片角15°厚度0.2mm翅片角18°厚度0.1mm翅片角18°厚度0.2mm

圖3 人字形波紋翅片在不同厚度、翅片角和入口速度下的溫度場

3.2 正弦波形翅片在不同厚度、翅片角和入口速度下的溫度場

正弦波形翅片在不同厚度、翅片角和入口速度下的溫度場如圖4示。

翅片角12°厚度0.1mm翅片角12°厚度0.2mm翅片角15°厚度0.1mm翅片角15°厚度0.2mm翅片角18°厚度0.1mm翅片角18°厚度0.2mm

圖4 正弦波形翅片在不同厚度、翅片角和入口速度下的溫度場

由圖4可以看出，當空氣流過第一排管束時，沿著波紋片的左右方向有較大的溫差。沿管束的迎風處，溫度上升速度明顯比較快，從中看出波紋翅片它獨有的波紋起伏特點起到了一定的阻止和擾亂氣流的作用，使溫度場分布密集，且發(fā)生劇烈的的變化。而在管束的背風處，由于波紋翅片的擾動，使空氣產(chǎn)生不穩(wěn)定的回流，換熱效果并沒有管束迎風處明顯。

3.3 人字形波紋翅片在不同厚度、翅片角和入口速度下的速度場

人字形波紋翅片在不同厚度、翅片角和入口速度下的速度場如圖5所示。

翅片角12°厚度0.1mm翅片角12°厚度0.2mm翅片角15°厚度0.1mm翅片角15°厚度0.2mm翅片角18°厚度0.1mm翅片角18°厚度0.2mm

圖5 人字形波紋翅片在不同厚度、翅片角和入口速度下的速度場

3.4 正弦波形翅片在不同厚度、翅片角和入口速度下的速度場

正弦波形翅片在不同厚度、翅片角和入口速度下的速度場如圖6所示，不同厚度下的壓力場如圖7所示。

翅片角12°厚度0.1mm翅片角12°厚度0.2mm翅片角15°厚度0.1mm翅片角15°厚度0.2mm翅片角18°厚度0.1mm翅片角18°厚度0.2mm

圖6 正弦波形翅片在不同厚度、翅片角和入口速度下的速度場

流速0.1m/s人字翅片角15°厚度0.1mm人字翅片角18°厚度0.1mm正弦波翅片角15°厚度0.1mm正弦波翅片角18°厚度0.1mm

圖7 正弦波形翅片在不同厚度下的壓力場

3.5 壓力場

由速度場和壓力場的仿真計算結(jié)果中可以看出：空氣的速度沿流動方向逐漸下降，同時壓力也跟著下降，當空氣流過第一排銅管時，銅管的迎風處附近的壓力會比較大，到第二排銅管時壓力逐漸下降。而在銅管的背風處，速度會比較小，部分熱量無法被帶走，且會造成回流，所以前后溫差較大，因此銅管背風處的換熱效果最差。

3.6 波紋翅片傾角對流動換熱特性的影響

由溫度場、速度場、壓力場圖看出，波紋傾角為12°、厚度0.1mm、入口速度為0.1m/s時的波紋翅片，當空氣從管道入口進入12°的翅片時，溫度場和速度場變化不明顯，傳熱過程比較緩慢；隨著波紋傾角逐漸增大，空氣所受的接觸面傾度增大，造成空氣的流動紊亂，且溫度場和壓力場的變化越來越明顯。溫度場圖中的高溫比較高的地方隨著傾角的增加而開始變低。第一排管的迎風處溫度相對于翅片角度的增加而增加。這是因為波紋翅片的高角度翅片和低角度翅片會因為空氣的擾動提早獲得熱量或延遲獲得熱量。而在第一排管的背風處，因為有管道阻擋而造成換熱不明顯，波紋傾角增大時，管背風處的溫度場也會受到氣流的影響，從而減少管背風處的熱量因受到阻擋而不得換熱的情況，詳見圖8、圖9和圖10。

3.7 空氣進口速度對流動換熱特性的影響

以3種波紋傾角厚度為0.1mm的人字波紋翅片為參考對象，結(jié)合圖5和圖7空氣分別以0.1m/s、0.2m/s、0.3m/s，從入口進入，當空氣入口速度為0.1m/s時，3種波紋傾角的翅片換熱量較低，且出口的溫度變化相對不會很明顯。但隨著速度的增大，3種波紋傾角的翅片的換熱量和出口溫度變化也會越來越明顯。

3.8 波紋翅片厚度對流動換熱特性的影響

這次仿真計算主要以0.1mm和0.2mm厚度的波紋翅片為研究對象，波紋片的厚度增加會加劇空氣與翅片之間的摩擦力，隨著波紋片的增厚換熱效果有細微的變化，但整體的變化并不會很明顯。

3.9 人字形波紋翅片和正弦波紋翅片對流動換熱特性的影響

在相同情況下，正弦波紋翅片的換熱效果比人字波紋翅片要好，因為正弦波紋翅片的邊界層分離較為不明顯，換熱效率沒有人字波紋翅片來得低。由圖5和圖6可以看到，在空氣熱傳導過程中，空氣流速為0.1m/s時15°的人字波紋翅片空氣通道中心面的壓力降為328×10-3Pa大于正弦波紋翅片壓力降319×10-3Pa，但是正弦波紋翅片的經(jīng)濟性會稍差。

4 結(jié)語

文章研究了波紋翅片換熱器在不同結(jié)構下的流動換熱情況，利用COMSOL仿真軟件進行計算模擬，從而得到了不同類型的波紋翅片和它們不同的厚度、波紋傾角、進口速度分別對流動特性換熱的產(chǎn)生的影響。對模擬結(jié)果的溫度場和速度場進行分析，波紋片的傾角是整個換熱過程中重要的參數(shù)，它通過改變流體的流動狀態(tài)來影響整個通道的換熱過程。通道的入口速度逐漸增加，波紋翅片的換熱量逐漸增加，壓力損失也會減小，但如果未在允許的速度范圍內(nèi)繼續(xù)增加入口速度，會造氣流接觸不均勻，而減少換熱量。

因此，綜合各方面的因素分析，為達到整套系統(tǒng)的最優(yōu)性能，通道的入口流速和波紋翅片的傾角必須在合理的參數(shù)內(nèi)。對于不同類型的波紋翅片，在模擬計算中，以正弦波波紋翅片波紋角為18°且風速在0.3m/s時，是波紋翅片換熱器換熱效果最好的。