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正弦翅片換熱器管外三維流動(dòng)與數(shù)值模擬第一頁,共15頁。第1頁問題描述管翅式換熱器主要由傳熱管和翅片組成,通常外部流體介質(zhì)為空氣。翅片與傳熱管間是釬焊連接,可以看作管道表面的延伸。翅片的形式有很多種,比如平直式、波紋式、百葉窗式及漸變傾角式等。本文將對(duì)正弦波紋翅片換熱器進(jìn)行數(shù)值模擬。換熱器示意圖計(jì)算區(qū)域側(cè)面示意圖計(jì)算區(qū)域軸測(cè)圖第二頁,共15頁。正弦波紋翅片管換熱器尺寸第2頁管子排距22mm翅片間距2.215mm孔距25.4mm正弦波高1.13mm圓管直徑Φ9.52mm正弦波紋翅片換熱器尺寸:計(jì)算模型主視圖計(jì)算模型俯視圖第三頁,共15頁。第3頁正弦波紋翅片管換熱器邊界條件名稱條件名稱條件入口流體空氣入口溫度300k入口速度1.5m/s換熱管溫度313k翅片材料鋁模擬均勻傾角波紋翅片換熱器邊界條件:
基本假設(shè):
輻射換熱忽略不計(jì);
不考慮換熱管軸向的傳熱、換熱管排間的逆向?qū)嵊绊?,只考慮與換熱管垂
直方向上通過翅片的換熱;
低雷諾數(shù)下,認(rèn)為空氣是不可壓縮流體;
翅片沿?fù)Q熱管方向均勻分布;
翅片導(dǎo)熱系數(shù)無限大,即翅片效率為1;
空氣進(jìn)口速度、溫度恒定;
忽略翅片與管子外壁面的接觸熱阻,與管子溫度相同;
翅片端部絕熱第四頁,共15頁。第4頁建立模型在Solidworks里建立翅片模型,然后導(dǎo)入到Gambit,通過Sweepface,拉伸出流體模型。如下圖所示:第五頁,共15頁。第7頁設(shè)定邊界條件邊界條件設(shè)定:NameTypeInletVELOCITY_INLEToutletOUTFLOWSymmetry1SYMMETRYSymmetry2SYMMETRYperiodicPERIODICWall-fluidWALLWall-solidWALLSpecifyBoundaryTypesNameTypesolidSOLIDfluidFLUIDSpecifyContinuumTypes第六頁,共15頁。第8頁網(wǎng)格劃分網(wǎng)格劃分:名稱ElementsTypeIntervalsize流體區(qū)域Tet/HybridTGrid0.4翅片Tet/HybridTGrid0.2為了保證網(wǎng)格質(zhì)量,將模型進(jìn)行分塊劃分網(wǎng)格,與換熱管無接觸的即規(guī)則體網(wǎng)格質(zhì)量檢查:基本合格網(wǎng)格數(shù):424227導(dǎo)出mash文件第七頁,共15頁。第9頁Fluent設(shè)置fluent設(shè)置:檢查網(wǎng)格Display—Check最小體積不能為負(fù)值設(shè)置單位Display—Scale本例以毫米為單位
顯示網(wǎng)格Display—Grid第八頁,共15頁。第10頁Fluent設(shè)置設(shè)置能量方程Display---Models---Energy選中EnergyEquation設(shè)置操作環(huán)境本例不考慮重力影響,保持默認(rèn)設(shè)置流體物理屬性本文設(shè)置流體空氣,固體為鋁,屬性保持默認(rèn)即可第九頁,共15頁。第11頁Fluent設(shè)置設(shè)置邊界條件需要對(duì)流體、入口、出口、周期性邊界、對(duì)稱性邊界、固壁和連續(xù)區(qū)域類型中的翅片和管壁按照前面的給定條件一一設(shè)定求解參數(shù)設(shè)置選擇simple方法,二階迎風(fēng)格式打開殘插圖選中Option下的Plot,在計(jì)算式動(dòng)態(tài)顯示殘差第十頁,共15頁。Fluent設(shè)置第11頁設(shè)置收斂動(dòng)量收斂因子為0.4,其他保持默認(rèn)設(shè)置設(shè)置迭代次數(shù)為5000初始化inlet參數(shù)開始計(jì)算第十一頁,共15頁。第12頁Fluent模擬結(jié)果分析殘差圖顯示計(jì)算收斂在入口處,在最窄流通面的兩側(cè)流體速度升高很快,等值線分布較為密集。在管子后側(cè),流體邊界層發(fā)生分離,形成回流區(qū),速度較低。速度分析:第十二頁,共15頁。第13頁Fluent模擬結(jié)果分析溫度分析:由于波紋翅片的表面起伏變化,導(dǎo)致氣流擾動(dòng)較強(qiáng),換熱過程比較強(qiáng)烈,引起溫度場(chǎng)的分布不均且變化劇烈,溫度等值線呈現(xiàn)狹長(zhǎng)帶狀,在第一排迎風(fēng)側(cè)氣流溫度上升較快。在迎風(fēng)側(cè),溫度場(chǎng)分布較密集,溫度遞增顯著,此時(shí)流體與壁面的溫差較大,換熱強(qiáng)烈。在背風(fēng)側(cè),溫度場(chǎng)分布稀疏,溫度變化不大,流體與壁面溫差較小。在管子背風(fēng)面尾跡區(qū),由于發(fā)生擾流脫體而產(chǎn)生回流,氣溫較高,接近管壁溫度,換熱最弱。溫度分布云圖溫度等值線圖第十三頁,共15頁。第14頁Fluent模擬結(jié)果分析壓力分析:波紋翅片表面連續(xù)起伏對(duì)流體的阻滯作用和擾動(dòng)作用比較大,產(chǎn)生的能量損失比較大。在最窄流通面的兩側(cè)壓力先降低后回
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