264 平翅片換熱器管外傳熱與流動(dòng)特性的數(shù)值模擬

平翅片換熱器管外傳熱與流動(dòng)特性的數(shù)值模擬南京師范大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院胡洪黃虎宋倩倩夏晨南京新江南機(jī)電工程股份有限公司陸春林江蘇丹陽蘇科空氣能研究中心有限公司陳澤民摘要本文利用CFD軟件FLUENT對(duì)平翅片換熱器翅片表面流體流動(dòng)及換熱過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，獲得了換熱器內(nèi)部流場(chǎng)、溫度場(chǎng)以及換熱器進(jìn)出口壓降和翅片表面平均對(duì)流換熱系數(shù)等。根據(jù)模擬結(jié)果，翅片表面對(duì)流換熱系數(shù)隨風(fēng)速增加而增加，但增加速率逐漸下降；換熱器進(jìn)出口壓降隨著風(fēng)速的增加而增加，且其增加速度逐漸加快。利用場(chǎng)協(xié)同原理進(jìn)一步分析對(duì)流傳熱，發(fā)現(xiàn)流速增大帶來換熱量增大的根本原因是風(fēng)量的增加；速度的增加反而導(dǎo)致對(duì)流換熱過程平均場(chǎng)協(xié)同角度增大，使速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)的協(xié)同性變差。關(guān)鍵詞平翅片數(shù)值模擬場(chǎng)協(xié)同原理0引言隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，中央處理器(CPU)的運(yùn)算速度大大地提高。進(jìn)而，使得采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)技術(shù)對(duì)各種實(shí)際問題進(jìn)行模擬計(jì)算得到了快速的發(fā)展。采用CFD技術(shù)模擬實(shí)際問題具有費(fèi)用低、速度快,能模擬較復(fù)雜的過程變化等優(yōu)點(diǎn)，特別是對(duì)于一些在實(shí)驗(yàn)過程中難易測(cè)量或者實(shí)驗(yàn)投資較大等問題更具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。CFD技術(shù)在流體力學(xué)及傳熱方面的研究越來越得到重視和應(yīng)用。文中利用CFD軟件FLUENT對(duì)管翅式換熱器的平翅片表面空氣流動(dòng)及換熱過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了換熱器內(nèi)空氣的流動(dòng)特性以及空氣與翅片對(duì)流換熱過程，同時(shí)應(yīng)用場(chǎng)協(xié)同原理對(duì)對(duì)流換熱過程進(jìn)行了進(jìn)一步的分析。1物理模型描述平翅片換熱器相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖1所示，鋁制翅片厚度0.11mm，內(nèi)部銅管外徑9.52mm，管間距為21.7mm,排間距為25mm。計(jì)算區(qū)域取在兩片翅片之間，中間部分分為流體區(qū)，取兩片翅片厚度的一般為邊界，給定周期性邊界條件。為了減小空氣入口效應(yīng)以及出口回流，向外延伸進(jìn)出口約5倍管徑2數(shù)學(xué)模型及其求解2.1數(shù)學(xué)模型針對(duì)上述物理模型，現(xiàn)對(duì)換熱過程作如下簡化：(1)流體物性參數(shù)隨空氣溫度變化甚微，近似為常數(shù)；(2)流體在壁面上無滑移;(3)流動(dòng)是定常的，且是對(duì)稱的;(4)不考慮自然對(duì)流及輻射換熱的影響；(5)忽略銅管與翅片之間的接觸熱阻；(6)由于翅片厚度遠(yuǎn)小于翅片高度，認(rèn)為翅片厚度所在的三個(gè)側(cè)面換熱為零?；谏鲜黾僭O(shè),得到描述該問題的數(shù)學(xué)模型，列出主要控制方程如下：連續(xù)性方程:（1）動(dòng)量方程:（2）空氣側(cè)能量方程：（3）固體區(qū)域內(nèi)的傳熱方程：（4）采用標(biāo)準(zhǔn)-模型：方程：（5）方程：（6）上面各式下標(biāo)均滿足愛因斯坦求和約定。式中，為空氣在方向的速度，m/s；為氣體密度，kg/m3;P為氣體靜壓力，Pa;E為氣體比內(nèi)能，J/kg；為有效傳熱系數(shù)，為層流傳熱系數(shù)，為湍流傳熱系數(shù)，；，為由于平均速度梯度而產(chǎn)生的湍動(dòng)能,J；為對(duì)于的湍流普朗特?cái)?shù)，為對(duì)于的湍流普朗特?cái)?shù)。上述標(biāo)準(zhǔn)-方程模型參數(shù)取值見表1。表1標(biāo)準(zhǔn)-模型參數(shù)0.091.441.921.01.3邊界條件確定：空氣進(jìn)口邊界給定進(jìn)口風(fēng)速和溫度；出口邊界條件設(shè)置相對(duì)壓力為零；流固耦合面上的邊界條件設(shè)置按照壁面函數(shù)法[1]來確定。2.2求解思路及方法采用CFD流固共軛傳熱技術(shù)對(duì)流動(dòng)和傳熱進(jìn)行計(jì)算。選用標(biāo)準(zhǔn)-模型，計(jì)算過程中采用有限體積法離散方程，動(dòng)量方程采用一階迎風(fēng)格式，能量方程采用二階迎風(fēng)格式，同時(shí)計(jì)算流體流動(dòng)的質(zhì)量、動(dòng)量、、兩方程以及能量方程，計(jì)算控制能量方程殘差至10-6?？刂品匠糖蠼獠捎肧IMPLE算法[1]。通過改變?nèi)肟诳諝獾乃俣?，模擬計(jì)算不同風(fēng)速下空氣與翅片的平均對(duì)流換熱系數(shù)和進(jìn)出口壓降變化。進(jìn)口空氣溫度給定為35℃，管內(nèi)流體為9℃，進(jìn)風(fēng)速度分別為：0.6m/s,1.2m/s,1.8m/s,2.4m/s,3.0m/s,4/0m/s,5.0m/s,6.0m/s，共八組工況。3求解結(jié)果分析3.1模型結(jié)果分析通過對(duì)上述不同風(fēng)速的八組工況進(jìn)行模擬就算，得到空氣流場(chǎng)、溫度場(chǎng)以及翅片表面溫度的分布等。從八組工況中選擇有代表性的三組工況的計(jì)算結(jié)果來進(jìn)行分析。圖2、圖3、圖4分別給出了風(fēng)速為0.6m/s、2.4m/s、5.0m/s情況下空氣的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)。圖中標(biāo)準(zhǔn)了部分局部地區(qū)的溫度值和速度值。圖2V=0.6m/s時(shí)，空氣溫度和速度分布云圖圖3V=2.4m/s時(shí)，空氣溫度和速度分布云圖圖4V=5.0m/s時(shí)，空氣溫度和速度分布云圖由圖2、圖3、圖4可知，在相同的進(jìn)風(fēng)溫度下，隨著空氣入口速度的提高，空氣出口溫度有明顯地升高。這是因?yàn)樗俣仍黾樱諝馀c翅片換熱過程接觸的時(shí)間變短，致使空氣在較短時(shí)間內(nèi)來不及與翅片進(jìn)行充分的換熱而使出口溫度升高。從速度分布圖中來看，不同進(jìn)口速度下在管后部的小區(qū)域內(nèi)，空氣速度幾乎變得很小，且進(jìn)口速度的增加使速度小的區(qū)域有所增大，這是因?yàn)榭諝庠诠芎蟛啃纬闪虽鰷u，且流速的增加致使旋流區(qū)域逐步擴(kuò)大。而旋流的存在不但會(huì)使流動(dòng)阻力的增加，帶來動(dòng)力消耗的增大，而且在旋流的中心區(qū)域附近翅片的換熱得到很大的削弱，這與翅片要“前疏后密”法則吻合，即在管前部空氣與翅片換熱較好，開縫可以稀疏一點(diǎn)；而在管后半部，空氣與翅片的換熱有較大的削弱，需要進(jìn)行強(qiáng)化，故此處開縫應(yīng)當(dāng)密一點(diǎn)，上述計(jì)算結(jié)果也能很好地說明這一點(diǎn)。從整個(gè)流場(chǎng)來看，溫度場(chǎng)的分布在很大程度上受到速度場(chǎng)的影響，故合適的進(jìn)風(fēng)速度對(duì)于換熱器的性能有著重要的影響。流體與換熱器的平均對(duì)流傳熱系數(shù)與流體進(jìn)出口壓降是評(píng)價(jià)換熱器換熱性能的兩個(gè)重要指標(biāo)。為此，圖5和圖6給出了換熱器對(duì)流換熱系數(shù)和進(jìn)出口壓降隨風(fēng)速的變化關(guān)系。圖5對(duì)流傳熱系數(shù)隨風(fēng)速變化的關(guān)系圖6進(jìn)出口壓差隨風(fēng)速變化的關(guān)系從圖5中可以看出，空氣與翅片的對(duì)流傳熱系數(shù)隨著風(fēng)速的增加而增加，但增加的速率呈減小趨勢(shì)。圖6給出了進(jìn)出口壓降隨風(fēng)速的變化關(guān)系，可以看出，風(fēng)速的增加導(dǎo)致空氣進(jìn)出口壓降增加，且增加的速率加快。結(jié)合圖5、圖6可知，風(fēng)速增加會(huì)帶來對(duì)流傳熱系數(shù)呈較慢速度增大，但卻導(dǎo)致空氣進(jìn)出口壓降呈較快速度增大。也即在一定的風(fēng)速范圍內(nèi)，對(duì)流換熱系數(shù)隨風(fēng)速的增加變化明顯，而當(dāng)風(fēng)速增大到一定程度時(shí)，對(duì)流換熱系數(shù)的增加顯得緩慢，但這個(gè)過程中空氣的進(jìn)出口壓降卻呈加速增加趨勢(shì)。故對(duì)于翅片換熱器來說，并非提高風(fēng)速就能很好地提高對(duì)流傳熱系數(shù)，同時(shí)還應(yīng)考慮到風(fēng)速增加導(dǎo)致阻力增加的問題，這一點(diǎn)對(duì)于換熱器的設(shè)計(jì)需要引起我們的重視。3.2換熱過程的場(chǎng)協(xié)同分析我國學(xué)者過增元等[3-6]對(duì)邊界層型流動(dòng)的能量方程在熱邊界層內(nèi)積分，證明了減小速度矢量與溫度梯度之間的夾角是強(qiáng)化對(duì)流換熱的有效措施，這一基本思想被稱之為“場(chǎng)協(xié)同”原理(Fieldsynergyprinciple)。之后，這一理論不斷在數(shù)值和實(shí)驗(yàn)中得到驗(yàn)證和實(shí)際應(yīng)用，文獻(xiàn)[7-8]對(duì)有詳細(xì)的介紹，在此不再贅述。為了更進(jìn)一步解析空氣與翅片對(duì)流換熱過程的基本機(jī)制，利用場(chǎng)協(xié)同原理對(duì)該過程進(jìn)行了分析。速度場(chǎng)與溫度場(chǎng)夾角平均值定義為：（7）式中：為最小截面平均風(fēng)速();=0.7，為動(dòng)力粘度(Pa/s)。圖7.全場(chǎng)平均夾角隨風(fēng)速變化關(guān)系從圖7中可以發(fā)現(xiàn)，隨著風(fēng)速的增加，全場(chǎng)的平均場(chǎng)協(xié)同角度逐漸增加。根據(jù)場(chǎng)協(xié)同原理，風(fēng)速的增加導(dǎo)致對(duì)流換熱過程速度場(chǎng)和溫度梯度場(chǎng)的協(xié)同性能變差，使對(duì)流換熱過程在同等情況下有一定削弱。而風(fēng)速的增加確實(shí)能夠帶來換熱量的增加，但這個(gè)過程中換熱量增加的根本原因在于風(fēng)速增加帶來的流量增大。4結(jié)論（1）在進(jìn)風(fēng)溫度一定時(shí)，風(fēng)速增加使空氣進(jìn)出口溫差減小。風(fēng)速增加導(dǎo)致管后旋流區(qū)域增大，使內(nèi)部流動(dòng)粘性阻力增加。（2）空氣與翅片換熱器對(duì)流換熱系數(shù)隨著風(fēng)速的增加而增加，但增加速率呈減小趨勢(shì)；空氣進(jìn)出口壓降隨風(fēng)速的增加而呈加速增加趨勢(shì)。（3）風(fēng)速增加帶來換熱量增加的根本原因在由于風(fēng)速增大帶來的流量增大；風(fēng)速增加反而導(dǎo)致對(duì)流換熱過程中溫度梯度場(chǎng)與速度場(chǎng)的協(xié)同性能變差。參考文獻(xiàn)：[1]陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué)(第2版)[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2001.pp353～356.[2]過增元,黃素逸.場(chǎng)協(xié)同原理與強(qiáng)化傳熱新技術(shù)[M].北京:中國電力出版社,2004.pp39～44.[3]GuoZY,LiDY,WangBX.ANovelConceptforConvectiveHeatTransferEnhancement[J].InternationalJournalofHeatmassTransfer,1998,41(14):2221～2225.[4]WANGS,LIZX,GUOZY.Novelconceptanddeviceofheattransferaugmentation[C].Proceedingsof11thInternationalConferenceofHeatTransfer,August23-28，1998，Kyongju,Korea.1998，5：405～408.[5]GUOZY,WANGS.Novelconceptandapproachesofheattransferenhancement[C].ProceedingsofSymposiumonEnergyEngineeringinthe21stCentury,NewYork：BegellHouse,2000：118～126.[6]過增元.對(duì)流換熱的物理機(jī)制：速度場(chǎng)與溫度場(chǎng)的協(xié)同[J].科學(xué)通報(bào),2000,45(19):2118～2122.[7]GuoZY，TaoWQ，ShahRK.Thefields