三維矩形外肋管流動(dòng)傳熱特性數(shù)值模擬

王小雨，杜一恒

(江漢大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430056)

換熱器，又稱熱交換器，在化工工程及能源工程等領(lǐng)域不換熱器亦可以稱為熱交換器，在化學(xué)，石油，電力，食品和許多其他工業(yè)產(chǎn)品中熱交換器起著十分重要的作用[1]。

管式換熱器[2]中有一種帶翅的的換熱器，亦稱為肋片式換熱器，在動(dòng)力，化工，制冷等工業(yè)中肋片式換熱器具有廣泛的應(yīng)用[3]。肋片式換熱器可以只有一個(gè)肋片管組成，也可以有兩個(gè)或者三個(gè)以上的肋片管組成，例如在室內(nèi)進(jìn)行取暖用途時(shí)所使用的肋片式散熱器，同樣的也可以配以外殼，風(fēng)機(jī)等組成空冷型的熱交換器。

肋片式換熱器中主要強(qiáng)化換熱的部位是換熱管，換熱管為肋片搭配基礎(chǔ)管，基管的類型主要有三種，圓管、扁平管和橢圓管[4]。其中圓管是市場(chǎng)上常見的基管。肋片管通過(guò)管道內(nèi)的冷熱流體與管外的換熱介質(zhì)進(jìn)行換熱，兩者之間通過(guò)肋片及管壁進(jìn)行一個(gè)熱量的交換，由于肋片的存在，相比較于傳統(tǒng)的換熱管增加了換熱面積，也在一定程度上增加了熱阻，不過(guò)在總體上改善了換熱。肋片類型繁多，其中矩形肋片管換熱效率較高，流動(dòng)阻力也更小?；诖耍疚睦昧黧w分析軟件Fluent研究了三維矩形外肋管的流動(dòng)傳熱特性。主要探討了矩形外肋管的肋片結(jié)構(gòu)對(duì)換熱性能影響較大，通過(guò)改變矩形外肋管的肋片數(shù)量和高度來(lái)研究換熱系數(shù)和壓降的變化。

1 矩形外肋管的模型建立

矩形外肋管建模參數(shù)如表1所示，在Gambit中的三維建模圖形見圖1。在此次Fluent數(shù)值模擬中，矩形外肋管的肋片和管材料為鋁，鋁的物理密度較小，比熱容相對(duì)優(yōu)異。

表1 建模參數(shù)

圖1 矩形外肋管三維模型

1-空氣流體域，2-矩形外肋管

三維矩形外肋管的計(jì)算流體域如圖2所示，通過(guò)在矩形外肋管外增加一個(gè)圓筒來(lái)確定空氣的流體域，矩形外肋管和圓筒的中心線重合，長(zhǎng)度為1 m，圓筒直徑設(shè)定為250 mm，內(nèi)管外徑為50 mm，內(nèi)管壁厚和矩形肋片壁厚均為3 mm。設(shè)定矩形外肋管外側(cè)為常溫空氣，本文主要探討管外肋片的換熱特性，因此換熱管可設(shè)為固定壁面溫度。因?yàn)殇X的物理密度較小，導(dǎo)熱條件相對(duì)優(yōu)異，因此矩形外肋管的肋片和圓形基管材料定為鋁。

矩形肋片外肋管的結(jié)構(gòu)對(duì)換熱性能的影響較大，因此本文將著重探討肋片的高度和數(shù)量對(duì)換熱性能的影響，肋片數(shù)量依次為4、8、12和16，肋片高度依次為10、20、30和40 mm，通過(guò)肋片數(shù)量和高度兩兩組合，產(chǎn)生16組工況。

為了便于模型的建立和計(jì)算，做出以下簡(jiǎn)化：流體為不可壓縮的牛頓流體且各向同性，模擬的換熱過(guò)程為穩(wěn)態(tài)對(duì)流換熱，沒(méi)相變流體，矩形外肋管外的空氣流速與矩形肋片平行，圓筒壁為絕熱壁面，與外界不交換熱量。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

因工況較多，各工況的溫度云圖和速度云圖不再一一給出，研究肋片高度時(shí)僅給出最低高度10 mm和最高高度40 mm兩種情況的云圖，研究肋片數(shù)量時(shí)僅給出肋片數(shù)量為4和16兩種情況的云圖。在模擬過(guò)程發(fā)現(xiàn)空氣流過(guò)區(qū)域的壓降損失較小，可忽略，因此文中不再探討壓降影響。

2.1 矩形外肋片的高度對(duì)換熱性能的影響

其它條件不變，單獨(dú)改變矩形外肋片的高度觀察換熱性能的變化。肋片高度為10 mm和40 mm下的速度分布圖和溫度分布圖如圖3和圖4所示。

圖3 矩形肋片高度為10，40 mm時(shí)速度分云圖

圖4 矩形肋片高度為10，40 mm時(shí)的溫度云圖

在圖中可以看出，隨著肋片數(shù)量的增加，速度穩(wěn)定區(qū)域得到增加，相應(yīng)的速度最大值在矩形肋片增大的時(shí)候一樣增大；在肋片高度增加的時(shí)候，空氣流體區(qū)域的較高速度的區(qū)域減少，換熱區(qū)域增大，矩形外肋管對(duì)空氣流體區(qū)域的影響增大，從而使得換熱增強(qiáng)。肋片上的溫度由于溫差不大，從而顯示不明顯；但仍可看出隨著肋片高度的增大，換熱區(qū)域增大(圖中紅色區(qū)域)，出口溫度由333.3K升到382.7K，換熱效果增強(qiáng)。在計(jì)算力允許的情況下，加長(zhǎng)換熱管的長(zhǎng)度，將會(huì)看到更明顯的變化趨勢(shì)。

2.2 矩形外肋片的數(shù)量對(duì)換熱性能的影響

矩形外肋片在管外以肋片間距均勻劃分。肋片數(shù)量為4和16時(shí)的矩形外肋管的速度云圖和溫度云圖如圖5和圖6所示。

圖5 矩形肋片數(shù)量為4，16時(shí)的速度云圖

圖6 矩形肋片數(shù)量為4，16時(shí)的溫度云圖

由圖可以觀察出，隨著肋片的數(shù)量增加，肋片之間的間距減小，穩(wěn)定流動(dòng)的區(qū)域增加，速度場(chǎng)的較高速度區(qū)域減少，換熱空間增加使得換熱增加。隨著矩形肋片的數(shù)量增多，換熱效果增強(qiáng)，這是因?yàn)樵诰匦卫咂脑黾酉拢瑩Q熱面積得到增加，增加空氣流動(dòng)穩(wěn)定，再加上空氣的流動(dòng)方向與肋片的方向相互平行，使得空氣壓降非常小，使得換熱效果在由4肋片到16肋片增加的過(guò)程中處于一直增加的狀態(tài)。

2.3 矩形外肋管的肋片數(shù)量和高度對(duì)換熱系數(shù)的綜合影響

不同肋高下的矩形外肋管的外側(cè)空氣流體域的換熱系數(shù)變化見圖7。從圖中，我們可以看到，在外側(cè)空氣流體域速度不變的情況下，隨著肋片的高度不斷的增加，矩形肋片的數(shù)量不同，對(duì)換熱系數(shù)產(chǎn)生了比較大的影響。在肋片高度為20，30，40 mm的三組里面，三組的換熱效率增加曲線是類似的，換熱系數(shù)的變化幅度不大，可以預(yù)測(cè)僅僅增加肋片的數(shù)量是沒(méi)有意義的一件事。在肋片數(shù)量為4的時(shí)候，肋片高為10 mm換熱系數(shù)最低，肋片高為20 mm的時(shí)候換熱系數(shù)為四種肋片高度里面最高的一組；在肋片數(shù)量為8的時(shí)候，肋片高為10 mm不再是最低，最低的是肋片高度為40 mm，換熱系數(shù)最高的一組依然為20 mm。接著，在肋片數(shù)量為12的時(shí)候，肋片高度為10 mm的換熱系數(shù)開始與肋片高度為20 mm的換熱系數(shù)相互接近，此時(shí)肋片高度為20 mm的換熱系數(shù)依然最高。最后當(dāng)肋片的數(shù)量為16的時(shí)候，換熱系數(shù)最高的一組為肋片高度為10 mm的一組，在肋片數(shù)量為16的一組，發(fā)現(xiàn)再隨著肋片高度的增加，換熱系數(shù)出現(xiàn)了下降的趨勢(shì)。之所出現(xiàn)這樣的，原因在于肋片數(shù)量的增加和高度的增加，使得肋片換熱熱阻已經(jīng)增加過(guò)多，這不僅僅是造成效率下降，在實(shí)際的過(guò)程之中，也是對(duì)資源的浪費(fèi)和能源的浪費(fèi)。從圖7中還可以看出，肋片高度為20 mm時(shí)，總的換熱效果優(yōu)于其它高度；肋片高度為10 mm時(shí)，隨著肋片數(shù)量的增加，換熱系數(shù)的變化最大，當(dāng)肋片數(shù)量達(dá)到16時(shí)，換熱系數(shù)最大，但這樣加工成本增加較大。因此，經(jīng)對(duì)比研究，較優(yōu)的一組工況是肋片高度為10 mm，肋片數(shù)量為16。

圖7 矩形肋片參數(shù)發(fā)生變化時(shí)的換熱效率

3 結(jié)論

本文使用的是Fluent軟件，利用Gambit進(jìn)行建模和網(wǎng)格劃分，通過(guò)改變矩形翅片的高度和數(shù)量，對(duì)矩形外肋管進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得出以下結(jié)論：

(1)肋片的數(shù)量保持不變時(shí)，只改變肋片的高度下，可能會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱效率下降，在實(shí)際的操作過(guò)程中，肋片高度與肋片的數(shù)量需要進(jìn)一步的研究。

(2)肋片高度保持不變的情況下，肋片數(shù)量的增加可以使得矩形外肋管的換熱效率得到提高，但是在一定數(shù)量之后就會(huì)使得效率提高不盡人意，在實(shí)際的使用過(guò)程還會(huì)造成資源的浪費(fèi)。

(3)肋片的高度和數(shù)量存在一個(gè)較優(yōu)的配比，本文中肋片高度為10 mm，肋片數(shù)量為16時(shí)，換熱效率最大。后續(xù)工作在計(jì)算力允許的情況下可以增加矩形外肋管的長(zhǎng)度，改變空氣的流速和翅片的厚度，進(jìn)一步的研究矩形肋片傳熱特性。