（机械制造及其自动化专业论文）花瓣式翅片成形机理及其传热特性.pdf

拙1 婴 摘要 本文以强化传热中常用的传统维垭结构为基础提出了- 种新型的表嘶三 维亚结构一仡瓣式翅片，建立花瓣式翅片柱模型。此翅片柱既具备加工的町行性 又能兼顾对流动阻力的影响，并具有较高的强化传热性能。其川断性的螺纹二角 肜趔片在增加传热表面积同时，使气流的层流边界层还没有在翅片面上充分发展 叩告分离，并且增加湍流强度，大大减薄气流边界层厚度，从而提高传热系数， 具有比连续式翅片柱更强的传热强化作用。 综合利用层流与湍流边界层理论分析花瓣式翅片柱的强化传热机理，并成功 提出了理论分析模型与平均传热系数理论计算方法，该方法的计算结果与实验值 符合良好。利用本文提出的计算方法可以预测不同类型高低翅片强化柱的传热性 能。 运用机械加工方法，在小直径铜柱表面加工出花瓣式翅片。该加工方法包括 一次翅化成形和二次翅化成形两个过程，加工得到的花瓣式翅片是一种与基体连 成一体的“整体翅片”。 通过建立切削模型，研究翅加工过程的质量控制。分析外表面拉削过程中不 利于散热的翻边毛刺形成机理，并通过实验确定三角形拉削刀具的前角、刀尖 角及拉削深度口。因素对毛刺的影响规律。 建立花瓣式翅片柱的散热模拟实验装置和风洞实验平台，在高壁温条件下， 以空气为介质，进行四不同结构翅片柱的对比传热试验，研究强制对流情况f 花 瓣式翅片的传热性能和流阻性能。雷诺数r e = i ，2 2 1 0 3 时花瓣式翅片柱的传热系 数比光柱的提高了1 6 ，而阻力损失只增加1 3 ，表明花瓣式翅片传热效能比螺 纹式和直槽式的翅片更好，传热强化性能评价最高，且气流流速越大越有利于发 挥花瓣式翅片柱的强化传热性能。 建立c p u 散热器散热效果测试平台，研究了花瓣式翅片柱散热器的散热性 能。在实验中，花瓣式翅片柱散热器的温度比光柱散热器的低5 ，散热效率提 高近2 0 ，所以，花瓣式翅片具有很高散热性能和广阔的： 程应用前景。 关键词强化传热：花瓣式翅片；三维亚结构；外表面拉削；散热器 一 型! ! 二：芝旦：! ! 兰 a b s t r a c t 【c 1 t h i 、p a p e r a n e wk i n d t h r e e d i n t e n s i o n a ls u r f a c es u b s t r u c t u r en a m e d p e t a l - s h a p e df i n i s d e s i g n e d ，b a s i n go nt h et r a d i t i o n a lt o w d i m e n s i o n a ls u b s t r u c t u r e i nh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t ，t h em o d e lo fp e t a l s h a p e df i nc o l u m ni s d e v e l o p e d ， w h i c hc a nb o t hb e n e f i t t h e m a c h i n i n gf e a s i b i l i t y a n dd e c r e a s ef l o wr e s i s t a n c e p e t a l - s h a p e d f i nc o l u m ni n d e e d p e r f o r m s b e t t e rt h a ns m o o t ho n e t h ei n t e r v a l s b e t w e e ns c r e wt r i a n g l ef i n sn o to n l yh i n d e rt h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fl a m i n a r f l o wo nt h ef i n w a l l ，b u ta l s os e p a r a t et h eb o u n d a r yl a y e r ，a tt h es a m et i m et h e y i m p r o v et h et u r b u l e n c eo ff l o w t h et h i c k n e s so fl a m i n a rl a y e ro nf i nw a l ld e c r e a s e s c o n s i d e r a b l yt o i n c r e a s et h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t i t sh e a tt r a n s f e rf u n c t i o ni s s t r o n g e rt h a nc o n t i n u o u sf i n s t h em e c h a n i s mo fe n h a n c e m e n ti n p e t a l - s h a p e d f i nc o l u m ni s a n a l y z e db y h e a tt r a n s f e rf o r l o n g i t u d i n a l f l o wo v e r l a m i n a ra n dt u r b u l e n t l a y e rt h e o r y t h e a n a l y t i c a lm o d e l sa n dc a l c u l a t i o nm e t h o d so fh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to ft h i sc o l u m n a r eo u tf o r w a r df o rt h ef i r s tt i m ei nt h i sa r t i c l e i tm a yb eu s e dt oe s t i m a t et h eh e a t t r a n s f e rp e r f o r m a n c eo fd i f f e r e n tk i n do f h i g ho rl o w f i nc o l u m n s p r o c e s s e dt h ep e t a l s h a p e df i no nt h es u r f a c eo fm i n o rd i a m e t e rc o p p e rc o l u m n b yt h em e a n so fm e c h a n i c a lp r o c e s s t h ep r o c e s s i n gm e t h o di n c l u d e st w oc o u r s e s ， o n ei st h ef i r s tf i nf o r m a t i o na n dt h eo t h e ri st h es e c o n df i nf o r m a t i o n b yt h ep r o c e s s t h e p e t a l 。s h a p e d f i ni st h e i n t e g r a l f i n f o rw h i c hi s o r i g i n a lp a r t o ft h e c o p p e r c o l u m n b yc r e a t i n gt h ec u t t i n gm o d e l ，s t u d yt h ep r o c e s sq u a l i t yc o n t r 0 1 i n v e s t i g a t et h e f o r m a t i v em e c h a n i s mo f f l a n g i n g b u r r st h a ta r eh a r m f u lf o rh e a tt r a n s f e r t h e e f f e c t i v e n e s so ft r i a n g l e b r o a c h i n gc u t t i n gt o o l s r a k e a n g l e 儿，t o o la n g l e 卢a n d b r o a c h i n gd e e p n e s s a p o nt h eo c c u r r e n c eo ff l a n g i n gb u r r sa r ed i s c u s s e d t h r o u g h e x p e r i m e n t a lm e t h o d s e s t a b l i s h i n g t h ee x p e r i m e n t a lh e a te m i s s i o nf a c i l i t ya n da i rt u n n e l e x p e r i m e n t f l a t f o r mf o r p e t a l s h a p e d f i nc o l u m n ，i nt h ec o n d i t i o no fw a l l h i g ht e m p e r a t u r e ， p r o c e e d e dt h ec o n t r a s th e a te m i s s i o nt e s to ff o u rk i n d so ff i nc o l u m n ，a n di t sh e a t t r a n s f e ra n df l o wr e s i s t a n c ep e r f o r m a n c ew a ss t u d i e d w h e nr e y n o l d sn u m b e ri sl _ 2 1 0 ，t h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to fp e t a l s h a p e df i nc o l u m ni s 1 6 h i g h e rt h a n s m o o t hc o l u m n s a n df l o wr e s i s t a n c eo n l yi n c r e a s e si _ 3 i ti n d i c a t e st h a tt h eh e a t t r a n s f e r p e r f o r m a n c eo fp e t a l s h a p e d f i nc o l u m ni sb e t t e rt h a n s t r a i g h tc h a n n e la n d a b s t r a c t s c r e wf i nc o l u m n a n di t sh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n tp e r f o r m a n c ei st h eb e s t h i g h e r t h ev e l o c i t yo fa i r f l o wi s ，t h eb e t t e rp e r f o r m a n c eo fp e t a l s h a p e df i nc o l u m nh a s ， e s t a b l i s h i n g t h ee f f e c t t e s t i n g f i a t f o r mo fc p uh e a ts i n k st o s t u d y t h e p e r f o r m a n c eo fp e t a l s h a p e df i nc o l u m n sh e a ts i n k i nt h ee x p e r i m e n t ，t e m p e r a t u r eo f p e t a l s h a p e df i nc o l u m n sh e a ts i n ki s 5 l o w e rt h a ns m o o t hc o l u m n sh e a ts i n ka n d i t se f f i c i e n c yi s 2 0 h i g h e rt h a ns m o o t hc o l u m n sh e a ts i n k s t h e r e f o r ep e t a l s h a p e d f i nh a sh i g hh e a te m i s s i o np e r f o r m a n c ea n dw i d ep r o s p e c ti ne n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n k e y w o r d s h e a tt r a n s f e r e n h a n c e m e n t ；p e t a l s h a p e d f i n ；t h r e e d i m e n s i o n a l s u b s t r u c t u r e ；e x t e r i o rs u r f a c eb r o a c h i n g ；h e a ts i n k i i 【 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进 行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：刳崴 日期：2 。4 年5 月2 8 曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密囱。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：- d - 。 探 日期：2 。4 年5 月2 8 日 导师签名：日期：2 0 0 4 年5 月2 8 日 物理量名称及符号表 意义 翅片截面面积 翅片传热表面积 翅片拄底径 翅片柱顶径 表面传热系数 翅片表面的平均传热系数 翅片柱的平均传热系数 流体平均的机械能损失 翅片高度 塑料模扳长度 翅片柱长度 努塞尔准数 翅片截面周长 压强损失 流体普朗特数 热量 总的输入的电功率 辐射热 流体雷诺准数 翅片闻距 翅片柱排列中的行间距 翅片柱排列中地列间距 斯坦顿准数 翅基或翅根温度 外部流体温度 换热器壁颈温度 流体主流温度 塑料模板厚度 收缩段出口处气流流速 风洞截面l 处气流流速 风洞截面2 处气流流速 单位 m 。 m 4 m m m m w m m m m m m m m p a j j j n n n n s s s 眦 舭 删 砌州州州 得心南诉。k虬l如bp肌阶qc要胁，函&。玎r u u 扒 物理举名袖：技箭弓茛 下标 o l 2 3 f m 姆料模钣宽度 流体输送功 趔片宽度 翅片厚度 ( 湍流或层流) 边界层厚度 ( 湍流或层流) 边界层平均厚度 硅胶棉厚度 泡沫厚度 翅片效率 阻力系数 翅化系数 三角刀前角 翅凸起倾角 三角刀刀尖角 翅片轴向夹角 翅片径向夹角 翅片顶宽度 翅片底宽度 黑体辐射常数 发射率、黑度 硅胶棉导热系数 泡沫导热系数 综合性能评价因子 流体导热系数 流体粘度 流体运动粘度 光柱的 花瓣式翅片柱的 螺纹式翅片柱的 直槽式翅片柱的 翘片的，流体的 二f 均的 v m n l j m m m m m m m m m m m m m m m m w ( m 4 k 4 、 w ( m k ) w ( n 1 k 1 w ( m k j p a s m ，s r w j葭以哇文巩f声心如岛钆n屯仃l。町五肛v # 白唑1 人学r 学i ，：。止- 分正 壁而的 导热的 辐射的 环境的 损失的 绝热材料的 v w 一 言h峙 第一章绪沦 第一章绪论 1 i 本课题的研究背景和实际意义 1 1 1 翅片强化传热技术的发展概述 由于生产和科学技术发展的需要，强化传热技术在近几十年来获得了广泛的 重视和发展。人们力图从理沦上解释各种强化传热技术的机理，从大量实验资料 中总结其规律性，以便在工业上加以推广应用。翅片作为一种非常高效的强化传 热技术已经有多年的历史，在世界范围各相关行业得到了大量的应用，特别是在 台油化。【及相关生产领域的换热管道、紧凑式换热器、制冷与空调行业的冷凝管、 动力机械、锅炉省煤器、风冷发动机气缸；水冷发动机气缸盖及其他工业和民 用的采暖和冷却设备等许多场合。 四十年代，翅片就已经用到电子设备上，电子设备大规模集成电路的迅速发 展也给散热片的强化传热带来了新的挑战。一方面电子设备中元件的布置密度日 趋增大有的达到每立方米1 0 6 个芯片：另一方面这些密集布置的大功率电子元 件在电子设备中的释能密度日益提高，有的竟然高达1 5 0 k w m 2 以上“。然而，电 子设备的温度上限一股为6 5 ，若高于此限，每升高l o ，设备的使用寿命会降 低一 。“；同时电子元件的故障率也随着元件温度的升高呈指数增长。i n t e l 公司 负责芯片设计的首席执行官帕特盖尔欣格曾经指出，如果芯片耗能和散热的问题 得不到解决，当芯片l 集成了2 亿个晶体管时，就会热得象“核反应堆”，2 0 1 0 年时会达到火箭发射时高温气体喷射的水平，而到2 0 1 5 年就会与太阳的表面一样 热。i n t e l 公司已经向全球散热器供应商征集2 0 0 5 年l 2 5 1 4 5 w 功耗c p u 空气强 制对流散热方案。由此可见，电子元件的有效冷却，足电子设备性能和工作寿命 的必要保证。 八| 年代以来，随着航空航天及核聚变等尖端技术的发展，各种热设备的工 作温度也在不断提高，为了保证热设备能有足够长的工作寿命和在商效率下安全 运行，必须可靠而经济地解决高温设备的冷却问题。因为过高的热负荷将导致材 料的高温蠕变和热疲劳损坏等一一系列后果，将会直接影响到工作的可靠性。比如， 锚合金材料当温度高于2 0 0 时，其抗拉强度迅速下降，在3 0 0 时只有在室温下 抗拉强度的5 0 “。 在传热设备中应用强化传热技术的目的一般有：( 1 ) 增加输热量；( 2 ) 缩小设 备体积：( 3 ) 降低载热剂即送热功率的消耗；( 4 ) 降低高温部件的温度。对换热器 柬浣，往往是为了达到前三个目的中的一个或两个。而对于诸如各类发动机、核 反应堆、火箭发动等高温殴备和电子器件的冷却，采用强化传热技术的直接目的 是为r 降低设备高温部件的温度，以提高改备功率和热功率或延长发各爿i 件的使 用寿命，巡片m f 良人程度上帮助人仃j 达到了这一日的。翅片作为f 阜热设备表呵的 、 p 结构，形成；友f 热面；t 扩大传热两锣! ，并促世流钵介质扰功水强化f 热， 减小传热热阻。 ：述这类发热体具有一些显著的特点：热源相对集中、热源体积 小、热物体温度高、热流密度大，而可殴计的散热面积却比较有限。这些都给现 有翅片的强化传热带来了新的挑战。面对这些新问题，需要学者提出新的设计方 法来满足这类元件的散热需要1 ”。 1 1 2 紧凑式换热器的发展 近年来，备种形式的换热器在向高教、高负蘅、大容量方向发展的同时，也 在向高传热密度和体积、重量的小型化，甚至微型化方向发展，出现了紧凑式换 热器( c o m p a c th e a r te x c h a n g e r ) 。所谓紧凑型换热器，主要是指一侧( 或两侧) 是 气体，因采用强化传热措施而使体积变得比较紧凑的那些换热器型式，如板翅式 和翅片管式。一侧或两侧的介质都是气体的换热器用的非常普遍，由于受到物性 的局限，一般它们的总传热系数都相当低，这必然导致换热器的体积庞大。在多 敏情况下人们总是希望换热器的体积、重量尽可能小，在常规工业领域里，这往 l l - 是出于提高性能，降低制造和运行费嗣的考虑。但是在一些特殊场合和高技术 领域当中，能否把体积和重量减低到所要求的水平，就不仅是费用高低，而是这 个换热器能不能胜任预定任务的问题。例如在生物卫星、载人飞船和航天飞机上 因为必须排放大量废热和精确控制生物舱的温度。般都采用对流换热系统“1 ， 而送入地球轨道的任何有效载荷与火箭起飞时总重量的比值大约是l ：1 0 0 ，所以 必须把换热设备尽量做得又轻又小。再比如在微型电子设备和军用运输车辆里， 必须在极小的体积内传输相当大数目的热量，否则就无法保证设备在正常温度下 工作。 设计紧凑型换热器的主要困难之一是必须在传热性能和阻力降约束( 有时还 埘噪声强度有控制指标) 之间寻求某种平衡。“。提高流速是增强换热的一项根本 办法，般对流换热的表面传热系数与流速间存在略低于l ( 湍流时多为0 6 o8 ) 的幂指数关系。但是克服摩擦阻力的功率消耗随流速的变化将近3 次方，至少不 会低于2 次方。这就是隗，在传热能力得到改善的同时，阻力将以高得多的速度 增长，这是一个很大的矛盾，也是对强化传热表面设计最大的挑战， 如果某一特定应用中的克服摩擦阻力的功耗过高，设计者耐可通过墙加换热 器内流道数求降低流速。这个措施也将减小单位传热表丽的传热速率，但传热速 率的降低显著地小t 二摩擦阻力的降低。增加传热表面积i ，j + 补偿传热速率的损失， 反过求这也增加克服摩擦阻力的功耗，位此时功耗仅与传热表面积以相同比例增 加， 第一章绻沦 在气体流动换热器内，摩擦阻力的限制迫使i 殳计者选择相当低的质量流速， i 体的质量流速在低导热系数导致甲位传热面积的低传热速率。凶此，传热表【自i 拟大是气体流动热交换器的一个典犁特 ；_ f ， 以上这些认u ! 促使了许多种适用于气体流动的传热表面加l ：制造力浊的发 展。i 体流动应用要求大的传热表面积密度，这类表面称之为紧凑式传热表面 在传热表面的一侧采用：次表面或翅片”。紧凑式传热表面的强化传热和流阻增 加相伴而生，在获得较大程度传热效益的同时，要付出工质压力降低或输送功率 增加的代价，使得： ：质的有用能减少或动力成本增加。因此在散热问题日益尖锐 的今天，对翅片的设计应不仅考虑提高传热效能，还应考虑将流阻增加减少到最 小，因此，针对实际问题对翅片进行综合性能研究显得非常重要。 1 2 翅化的强化传热研究 1 2 1 翅片传热的理论分析 所谓翅片( f i n ) ，亦称为扩展表面或延伸表面( e x t e n d e ds u r f a c e ) ，： 程上也经 常称为肋，是指那些从某个基面上伸展出来的固体表面它们的导热和传热规律 是工程上非常重要的一类问题。其主要的特点是在热流量沿着翅的高度方向传导 的同时，扩展表面向周围的流体及环境以对流或者对流加辐射的方式散热( 或吸 收) 热量。翅片最重要的工程应用是强化传热过程。 寻号伊眵眵 图1 1 工业常用翅片形状 f i g 1 一l f i ns h a p e so fi n d u s t r yi nc o m m o nu s e 翅j 1 。丧丽肜式多种多样，如图1 1 所示，趟片分为直翅片、环形趔片和柱彤 巡片，f 壬- _ f l | | 义可再分为等截研和变截面两类。矩形翅片仍是一种最基本的翅l 结构， 神州憋 1 传热效果的计算分盯i 也 往基于矩形翘片。 参见图i 2 所示的等截面直翅片。迎高为l ，翅片宽度为圭盟的厚度等于j 。 翅片的导热戡面面积为a ，截面的周睦为p ，翅片与基面相交处( 称为翅基或翅 根) 的温度保持 。，外部流体温度是，。为了分析方便，设定表面温度高于流体 温度，即舰定此翅片是散热翅片。流体与翅片表面划的表面传热系数等于h 。 图l 一2 等截面直翅片传热分析 f i g 1 - 2 h e a tt r a n s f e ra n a l y s i so fc o n s t a n tc r o s s s e c t i o ns t r a i g h tf i n 从基本的能量平衡出发推导翅片的导热微分方程” 取如图l - 2 所示的微元段出，根据能量守恒定律，有 串。一串n d 。= 巾： 。在翅片的任意高度z 处 式子的左侧表示导进、导出该微元段热量的净差额，即 众一丸+ 。肌去一f _ 从丢( ，+ 李出 1 = 从生d x - a x 出m z ， 黜i“l 而从趔表面的散热可以表示为 眈= h p d x ( t tr ) ( 1 3 把式( 1 2 ) 和式( 1 3 ) 代入能量平衡关系，并引入以周围介质温度为基准的过余温度 0 = t f 。，经整理后可以得到 堡- m - o ：0( 1 4 ) 出。 式中m ：【a p ，( 从) 】l ”，单位是n l 。在h 、五都等于常数的情况f i ，m 是一个定值。 方程( 卜4 ) 的通解是 0 ：r p 一+ ( ，e ( 1 5 ) 第章绪沦 两个积分常数如下边界条件确定 一i 。：o = 屯一f ，= 岛 塑f ：0 d x f ，：l 最后得到等截面直翅片沿高度力+ 向的温度分布是 ( i 一6 移：0 。c o s h m ( l - x ) ( 1 - 7 ) c o s h ( m l ) 陔温度分布示于图l 2 。可见对散热翅片而言，温度从翘片根部到翅片端部按双 曲余弦函数呈下降规律变化。显然，由该式还可以得出翅片端部的过余温度 吼= 上c o s h ( m l ) ( 1 8 ) 根据能量守恒关系，在稳态条件下翅片表面的全部散热量部来自翅片基部，所以， 只要时基部运用傅立叶定律就可以求出该翅片表面的散热量： 啦= 0 = 从华l= 从吃，l t a n h ( 小l ) ：竺见t a n h ( 川l ) ( 1 - 9 ) c “f x 0 0 m 但同时，可以看出，沿等截面直翅片的高低方向，对流换热温差逐步缩小， 散热强度相应下降。这就是浣，如果表面传热系数h 保待常数，对流散热热流密 度印将沿翅高逐步下降。因此，对等截面翅片来说，翅基的散热效果优于翅端， 即靠近翅基处材料的利用率明显高于靠近翅端的部分。为了充分利用材料，保证 翅片截面上具有最大的导热效果则变截面翅片比等截面翅片更为合理，这样可 以充分发挥趟片的导热能力，降低了材耗和导热热阻。 甲往2 0 世纪2 0 年代，施密特( e s c h m i d t ) 就研究了趔片的最佳彤状和最佳尺 寸问题。理论解析证明，在传递规定热量的条件下，最省材料的是具有凹抛物线 削面的翅片( 见图i 一3 ) 。考虑到曲面型线加工的难度以及因此导致的费用增加 常常用工艺简单得多、性能又很接近凹抛物线的三角翅片或者梯形翅片宋代替， 图i - 3 凹抛物线型直避片 f i g 卜3 c o n c a v ep a r a b o l i cs t r a i g h tf i n i 南埋i ：人学l 学颂十i j + 舻论 1 + 2 2 翅片壁的传热性能 肿等截面直翅片，d i 而已经得到沿翅片高度i r o n 度分伟和讣算热流量的解析 。，f l 是对f 变戡丽翘h l 述解析式的求解难度足犬增加，即使r ，】得，彤。也 。分复杂，用作工程计算很不方便。 实际上，一般的工程设计和计算最关心的是迎片的散热量。为此定义一个称 为翘， 效率( f i ne f f i c i e n c y ) 的量：它是翅片的实际散热量与假没整个翅片部处十翘 敝温度时的理想敞热量之比，即 驴署= 鬻= 等 m 砚2 云2 前2 i # 。 式中， 统代表过余温度在整个翅片表面上的积分平均值，a ，则是表示翅片 的散热表面积。显然，翅片效率表明了翅片散热的有效程度。只要知道了翅片效 率t 就怍常容易求出翅片的实际散热量。对于等截面直翅片来说，按照匕述定义 可得出 驴丝嬲h 半= 燮m l m j i p l 8 、1 ： 程上有实用价值的翅壁部不是单一翅片，而是由很多翅片按一定间距排列 成的翅片组。设共有n 个翅片，每个翅片的散热表面积为a ，两翅片之间基部的 面积为a b ，温度保持，b ，因此整个翅片壁的总面积等于a ，= 如+ 以，。此时，翅化 壁的总效率为： = 彘= 等竽 ( 1 l i ) 它表刁 翘片壁实际散热量与整个趔片壁的所有表面部处于翅片基部温度时的理想 散热量之比。 圈l 一4 趔片壁传热性能分析 f i gl - 4 h e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c e a n a l y s i so ff i nw a r 第葶绪论 姐1 图l - 4 所示，仅为甲扳传热时，总传热系数为 k = 卉 以1 h 在a 处朋等厚矩形趔片，趔片传热表面积氐。显然a a ，即加装趔片后坩流热 阻上小于原热阻t 。此时总传热系数为 乜乱ha k ，5 1 ( i - 1 4 ) z h f l = a a 称为翅化系数。由于在工程上翅片 2 圊而而历1 ，k ，加翅片导致总传热系数改 1 3 强化传热性能的评价方法 强化传热方法很多，目的无非是提高系统的经济性和确保设备的安全运行。 要确定一项强化传热新技术是否先进，必须对其进行评价。 最早对传热设备进行评价都采用单一参数，例如总传热系数& 和压降p ， 这两个参数均与流体的速度有关，故一般工程上采用在特定的参考流速下比较传 热系数和压降。随着强化传热研究的展开人们开始关心传热系数究竟可也提高 多少。因为热量的输出总是与传热系数大小成i f 比的，所以传热强化比n u n u o 成为较早期的评价准则。以卜方法简单而且直观，但仅从能量利用的某一个方面 柬考虑，故不够全面。 b e j a n ”提出了以熵产单元数舨作为评价指标。；定义为换热器由于不可 逆性产生的熵增与两种流体中热容量较大的一个的比值，即 舻瓯a s ( i _ 1 5 ) 在换热器中虽然存在两种损失，即热损失和机械损失，它们能量形式虽然不 同，但从热力学角度都可用熵产表示，则上式可转换为 贤暑p c it f 丝d x + 坚t ( 1 + 爿 ： ，)tj ( 1 一i6 ) 式中q 。为币位【丈度的传热量，t 为流体绝对温度，a t 为流体与壁面的温差。i ： 第 项表示冈爪降造成的熵增，第二项表示因温差造成的熵增。显然r j p 的 增加，郜会引起n ；增加，杆s 为零，则表尔理想的可逆过程。利删n ；汁价换热 撩小仅着眼于能量的数量，还着眼于能量的质量，故利用n 。来评价换热器比较为 合理。 随着传热技术的发展，换热器f 1 益向体积小、重量轻的方向发展，同时在提 高效率的前提下，要求操作费用降低。传热强化的结果，必然带来材料消耗的增 加、运行维修费用提高等问题。r l w e b b ”“3 在综合分析的基础e ，提出了- 套 较为完整的性能评价数据，即维持输送功率、传热面积、传热负荷三因素中的两 因素不变，比较第三因数的大小以评定传热性能的好坏。例如在相同流体输送功 率及传热面积的条件，强化管的传热膜系数与光滑管相比为 圳2 器 ( 1 - 1 7 ) 在相同流体运输功耗及传热负荷的条件下，强化管比光滑管可节省的传热面 积为 丢= 黠 a ( s ) 舭 在相同传热负荷及传热面积的条件下，强化管可比光滑管节省流体输运功为 去= 器s t ，s t m 。(。) 3 该准则根据强化目的分类，对各项性能进行比较可以分别对具体方面求出结果， 从比较结果r i f 以对换热器的几何结果做出评价。该准则目前应用较为普遍，但还 是不够全面，有时从评价结果中很难得出正确的结论。 综合传热评价是在考虑了换热管内外侧传热的情况下，综合考虑其传热功 率、工质流量、压力损失及换热器体积四方面因素，因而比上述方法更能反映出 强化传热的实际综合效果“。事实上换热器换热过程中的能量损失包含两个方 而：一是推动流体流动达到一定速度时所消耗的动力；二是温差传热的不可逆损 失。当扩大传热面积采用其它强化措施后，可以减少温差传热的不可逆损失，但 此时流动阻力必然增加，而黾阻力系数随着传热系数的增加而显著提高，于是有 学者提出了( 矧( 妄卜为评价传热方法的准则，这个准则数越大，强化性能 越好。从相同输送功率下热量传递大小的观点出发，提出了( 羔 ( 甜3 准则， 该准则较为合理。本研究采用这一评价方法对所设计的翅片进行强化传热性能评 价、 阿些学择还突出采用i h j 分析法对换热器进行评价，它弓熵产分析法类似，能 从能j 0 质量上米讨论流动与传热的关系。在设计过程中可f 目1 片j 效率求判断换热 器的附能，作为进一步改善的依扼：但定f ：程卜缺乏爻刑阡， 【nj 进仃技术推供应用时，还应考虑采用强化传热技术后材料等价格的增加f lj 运行费用的变化，应用经济核算的方法进行评价，即热经济学的评价方法。美国 等已在换热器设计中采用这种方法”“，浚方法比较完善，但过于繁琐。 1 4 本研究课题的来源及主要研究内容 本课题为国家自然科学基金资助项目( 项目编号：2 0 0 7 6 0 1 5 ，5 0 1 7 5 0 2 8 ， 5 0 3 7 5 0 5 5 ) 以及广东省自然科学基金资助项目( 项目编号：3 1 3 2 2 ) 。 奉论文以强化传热中常用的传统二维哑结构为基础，提出一种新型的花瓣式 翅片= i 维哑结构，形成紧凑式传热表面。探索和研究翅片加一 方法及其质量控制， 研究花瓣式翅片的强化传热和流阻性能，并对其进行传热强化性能的评价，以便 作为生产高效的紧凑式换热器的技术支恃参考和理论依据。 本课题主要研究内容： ( 1 ) 以强化传热中常用的传统j 维亚结构为基础，建立花瓣式翅片三维亚结 构模型，研究此新型结构的优点及传热效用，综合利用层流与湍流边界层理论分 析花瓣式趔片柱传热机理； ( 2 ) 研究在小直径铜柱表面加工花瓣式翅片三维亚结构的方法及过程，掌握 刀具儿何参数和加工参数对加工过程的影响规律； ( 3 ) 通过分析翅成型过程中伴随生成毛刺的原因，研究花瓣式趔片加工质奄 控制机理： ( 4 ) 建立散热模拟实验装置和风洞实验平台，通过四种不同表面结构的锕柱 的传热对比实验，研究在高壁温强制对流状态f ，花瓣式翅片柱的传热特性和流 阻特性。 ( 5 ) 利用花瓣式翅片柱制成花瓣式翅片柱c p u 散热器，并与同等尺寸的光柱 c p u 散热器进行散热效果测试实验，探索花瓣式翅片在工程应用中的实际效果。 9 第二章花瓣式翅片三维亚结构模型及其传热机理 制造表面亚结构是提高传热系数主要形式之一，目前无论是扳式传热表【可还 是圆柱式传热表面多采用翅片作为表面j ；匝结构，形成二次传热面，可扩大传热面 积，并促进流体介质扰动来强化传热。由于湍流边界层是由粘性底层、缓冲层和 湍流核心区三部分构成，其中粘性底层是紧靠壁面的极薄层，因为速度梯度极高， 致使粘性剪切力仍起着关键的作用，流动形式仍以层流为主，这个极薄层是传热 时整个边界层的主要热阻所在“。用亚结构凸起单元来破环湍流时的粘性底层， 增加边界层的不稳定性，在增大表面摩擦系数的同时，提高表面传热系数。但同 时亚结构对流道中的沿程摩阻的影响很大，所以，如果对凸起单元的设计和加工 控制不好，反而会起到反作用，减弱传热的效果。对于一般的紧凑式换热器，亚 结构主要应用在大尺寸的片状传热表面，对于小尺寸柱状传热表面，尤其是直径 只有2 3 m m 圆柱外表面，亚结构的加工具有很大的困难。因此，考虑到加工的 可行性，有必要对小直径圆柱外表面的亚结构进行优化设计。 2 1 花瓣式翅片模型 表面亚结构的特征包括其凸起单元的高度、形状、以及疏密和排列等。现代 的换热设备中，为了强化放热目的，主要是利用各种横向贬结构，其凸起部分的 断面形状有矩形、三角形、梯形或圆形等多种形式( 见图2 - t ) 。 s 一一 一 _旦_ 涩勉勉么凌弦乐逮芝滋左凌弦瑟 s 一一 一 一 卫一 。 型乙巫凌芝巫厨忽筮厄之茏巫癌 图2 1 各种形式的亚结构 f i g 2 一i v a r i o u sf o r m so fs u b s t r u c t u r e 尼占拉兹“”( n i k u r a d s ej ) 对上述彤式的亚结构进行了研究，从大量实验 结果进行了分析，在湍流区，当粘性底层的厚度远小于亚结构突起的高度时，突 起几乎完食突入湍流核一心内，此时r e ( 流体雷诺数) 的变化对粘性底层，以及对 1 0 第，葶花瓣式翅片= 维、咿i ，i 阳幞， | j 及其传热帆理 流动的紊动程度影n h 已微不足道，所以沿程孽阻只与备凸起之川的4 耳时问距j l 以及凸起的相对宽度6 l 有天，而弓r p 无关( 图2 - 2 ) 。所以此时、哐结构的凸起肜 状特征是考虑的卣要因素。 d 一粘性底层厚度l 一亚结构突起高度 图2 - 2 湍流粘性底层区 f i g 2 - 2r e g i o no f v i s c o u ss u b l a y e ri nt u r b u l e n tc u r r e n t 一般情况下，带矩形截面凸起的流道具有最大的流动阻力，如果使凸起呈现 一定的流线型，那么摩阻会有所下降。但是由于要在小直径圆柱表面e 加工出呈 流线型、高度控制在0 5 m m 以下的凸起难度大，而且工艺要求高。”】。为此，本文 提出种新型的亚结构，既具有加工的可行性又能兼顾对流阻的影响。 翅片作为建立表面亚结构的主要形式，传统做法是在柱面e 加工出连续环型 或螺纹型的三角形截面翅片( 见图2 3 a ) ，此翅片只具有一次翅化表面；而本研 究课题提出的新型亚结构一花瓣式的翅片，是一种断续螺纹三角形结构( 见图 2 3 b ) ，其同时具有一次和二次翅化表面。虽然连续型翅片柱的实际传热面积比花 瓣式翅片村：高约l o ，但在试验中发现其传热效能却不及花瓣式翅片，主要原因 在于这陌种传热表面在翅片结构上存在差别，导致不同的强化传热机理f 2 1 ”j 。从 图2 3 a 和图2 3 b 可以看出连续翅片与花瓣式翅片在结构上的不同之处在于前 者是：二维亚结构，而后者则是三维亚结构。 ( a ) 连续式翅片柱( b ) 花瓣式翅片柱 图2 3 翅片柱结构示意图 f i g 2 - 3 s t r u c t u r es k e t c hm a po ff i nc o l u m n 一次翘化表嘶 ：次遵化表喵 化瓣式翅片是不连续的，：次趔化表曲能破坏流体边界层的发展，对传热阻 华南理l 、。产l 子顺r “；= 蔗论文 力集中在牯睦底层流体来晚，这种肜式的凸起单元强化传热效能更佳。结合螺旋 肜状促使流体的螺旋流动，花瓣式翅片在激发流体的湍动和破坏传热边界层等方 而县有。明银的优势：流体的螺锰流动，其速度t i r 分解成眄个分量，个速度分? 是沿桂轴方向，促使流体沿管轴向f ；i 流动，另一个速度分嚣是垂直于柱轴方向， 促使流体绕圆柱表面流动，各个速度分量的大小取决于螺旋角的大小；另外，流 体能很好地进入翅片根部，提高了翅削流体的湍流度，花瓣式翅片的尖齿对流体 5 ；己具有切割作用，进一步激发流体的湍动破坏了其传热边界层，加上在气流旋 转流动时，流体的强化传热效能进一步提高，从而达到理想的匹配效果。连续型 翅片因其翅片为二维结构，流体不能很好地进入到翅片的根部，因而不能很好地 破坏流体的传热边界层并且造成沿翅片流动时流体动能损失比花瓣式翅片大， 摩擦阻力损失增加。 2 2 边界层理论分析花瓣式翅片柱传热机理 当翅片均匀的分布在换热器的柱状表面时，构成了紧凑式传热表面。流体纵 向冲刷流过翅片柱时的流线如图2 - 4 所示。我们可以把圆柱上半圆展开成为平板， 即可把流体流过翅片柱上相邻翅片问的圆弧基底梯形通道的过程简化为流过平板 ：直翅片梯形通道的过程。把翅片上对流传热过程视为在平板上的对流传热过程。 ( a ) 花瓣式翅片柱上半圆展开图( b ) 螺纹式翅片桂上半圆展开图 图2 4 纵向冲刷翅片柱示意图 f i g 2 - 4 s k e t c hm a po fl o n g i t u d i n a lf l o w i n go v e rf i nc o l u m n 当流体流经表面时由于粘性使流体在平板表面形成流体边界层，传热热阻集 中在边界层内，对流传热系数与边界层厚度成反比。流体边界层臼平板入口的滞 流发展到湍流所需的距离称为临界距离l c ，见图2 - 5 ，相应的临界雷诺数r p 。在2 1 0 5 。3 1 0 6 。 菊二章e 磷逍片二维、f 结掏f 娆，使j e f 热h i 胛 边界层外边界 l c ： u=b 7 - 一 ”一、：一i ：- ，7 +： 为、 、，粘性底层 勺兰二= = = 竺= = = = 兰= 兰刍 0 x l 。一临界距离皖一层流边界层厚度 图2 - 5 平板上流体边界层的发展 f i g 2 - 5d e v e l o p m e n t o ff l u i db o u n d a r yl a y e ro np l a t es u r f a c e 通过对边界层热流方程的近似求解得到”： 平扳卜层流边界层： 互：兰坠( 2 一1 ) 。4 r e 。 式中r e ，：x v p ，对空气p r o