矩形翅片椭圆管热交换器流动和换热特性的数值模拟

1、文章编号:10050329(200608006704矩形翅片椭圆管热交换器流动和换热特性的数值模拟李启良,赵兰萍(同济大学,上海201804摘要:利用CFD计算方法,对矩形翅片椭圆管热交换器进行了数值模拟,得到其在不同风速下的流动和换热特性,并就椭圆管和圆管之间阻力与换热特性进行了计算比较,分析讨论了片距及管排数对阻力特性的影响,为风洞热交换器设计提供依据。关键词:矩形翅片椭圆管;热交换器;数值模拟;汽车风洞中图分类号:TQ051.5文献标识码:ANumerical Simulation of Flow Behaviors and Heat Transfer Characteristic of

2、 RectangularFinned Elliptical Tube Heat ExchangerLI Qi-liang,ZHAO Lan-ping(Tongji University,Shanghai201804,ChinaAbstract:The rectangular finned elliptical tube heat exchanger has been simulated by using CFD,and the flow behaviors and heat transfer characteristics at different flow velocities have b

3、een found.Then the compare between elliptical and circular tube heat exchang-ers,and the effects of fin width and tube rows on flow resistance behaviors have been analyzed.Such findings can help the design of wind tunnel heat exchanger.Key words:rectangular finned elliptical tube;heat exchanger;nume

4、rical simulation;automotive wind tunnel1前言汽车整车风洞可以在实验室中复现汽车行驶过程中的实际情况,对汽车开发具有重要意义。换热特性良好的热交换器是试验段温度场的重要保证,由于汽车的试验风速可达250300km/h,热交换器迎面风速可达12m/s左右,其空气侧的阻力损失在较大程度上决定了风洞的投资、运行能耗和噪声指标等,选择一个合适的热交换器对风洞设计具有重要意义。阻力损失小、换热效果好的矩形翅片椭圆管热交换器是其中的一个选择。尽管国内外学者对这类热交换器的流动和换热特性作了不少实验研究,但是一般应用场合的迎面风速在4m/s以下1,其结果不适合汽车风洞这

5、样的高速和多工况场合。本文利用CFD计算方法对矩形翅片椭圆管热交换器进行数值模拟,得到其流动与换热特性,目的是为汽车风洞热交换器的设计提供一些理论依据。2模型与数值计算方法2.1物理模型矩形翅片椭圆管热交换器一般用在大型的空冷场合。通常管子尺寸、管簇排列方式等参数如图1所示。翅片间距一般在2.16mm之间,翅片厚度规格有0.25,0.3mm等,基管与翅片的材料常用的是碳钢。收稿日期:20051024图1椭圆管形状尺寸及管簇排列方式2.2数值计算区域热交换器局部见图2,计算区域由两肋片中心面和进出口区域构成2。进出口区域用长方体模拟进口来流和出口流动。为保证出口边界达到充分发展,出口区域长度约为

6、椭圆管当量直径的15倍3。同时进口区域长度约为椭圆管当量直径的10倍,以保证热交换器来流能符合实际流动情况。图2热交换器局部2.3数值计算方法计算采用三维稳态标准k-模型,其连续方程、动量方程、能量方程的通用形式如式(1所示。在式(1中,不同变量源项的具体形式见表1。对控制方程采用非结构化网格的有限容积法进行离散,用TDMA 算法对各离散的控制方程进行求解,而求解耦合方程组按照SIMPLE 算法。div (u =div (grad +S (1表1与式(1对应模型的控制方程方程扩散系数源项S 连续10X 动量u µeff =µ+µt -px +x (µef

7、f u x +y (µeff v x +z (µeff w x +S u Y 动量v µeff =µ+µt -py +x (µeff u y +y (µeff v y +z (µeff w y +S vZ 动量w µeff =µ+µt-p z +x (µeff u z +y (µeff v z + z (µeff wz+S w湍动能kµ+µtk G k +耗散率µ+µtk(C 1s G k -C 2能量Tµ

8、P r +µtT注:µ,µt ,µeff 层流动力粘度系数和湍动粘度系数和有效粘性系数,Ns /m 2;k ,T 与湍动能k ,耗散率和温度T 对应的Prandtl 数;u ,v ,w X ,Y ,Z 方向的速度,m /s ;S u ,S v ,S w 用户自定义的源项;P 流体的压力,Pa ;密度,kg /m 3;Pr Prandtl 数;G k 由于平均速度梯度引起的湍动能k 的产生项;G 1,G 2经验常数。边界条件设定如表2所示。计算首先选用较小的欠松弛因子和一阶迎风格式得到初值,然后采用二阶迎风格式得到最终结果。3计算结果及讨论3.1阻力与换热

9、特性Reynolds 数和Euler 数定义:Re =u d 0vE u =p 0.5N u 2(2式中u 热交换器来流速度,m /s d 0椭圆管当量直径,mv流体运动粘性系数,m2/sP进出口压力差,PaN沿流体流动方向管排数流体密度,kg/m3表2边界条件边界名称类型备注进口速度入口U=U,V=W=0,T=T出口压力出口椭圆管壁面壁面U=V=W=0,T=T w 肋根壁面壁面U=V=W=0,T=T w 肋片表面壁面U=V=W=0其他对称面注:U来流速度,m/s;T,Tw来流温度和壁面温度,K;U,V,WX,Y,Z方向的速度,m/s。图3是椭圆管气流阻力数值模拟结果与文献4的实验值的对比。计

10、算与实验的片距均为2. 5mm,来流温度为30。从图中可以看出,计算值与实验值比较接近,在来流速度等于8m/s时,两者几乎相等;来流速度小于8m/s,计算值与实验值相对偏差均小于5%;来流速度大于8m/s,其相对偏差均小于15%。图3椭圆管阻力特性计算与实验对比(5排表3参数下得到不同来流速度下椭圆管与圆管气流阻力计算值见图4。从图中可以看出,椭圆管气流阻力比圆管小,其在高速下更为显著。当来流速度等于1.5m/s,椭圆管气流阻力比圆管小10%,当来流速度等于11.5m/s,椭圆管气流阻力比圆管小24%。表3翅片管簇参数(mm名称基管外形翅片外形片距管心距图5则是在同样管簇参数下得到的以管外壁面

11、为基准的对流换热系数计算值。计算的来流温度为28,管子进水温度15,出水温度20。从图中可以看出,对流换热系数随着来流速度的增加而增加,椭圆管换热性能比圆管好,但两者差异随来流速度增加变化不大。当来流速度等于3m/s,椭圆管对流换热系数比圆管大30%;当来流速度增加到10m/s,椭圆管对流换系数比圆管大37%。图4椭圆管与圆管阻力计算值对比(3排图5椭圆管与圆管换热特性计算值(3排不同片距下矩形翅片椭圆管换热器阻力系数Eu随Re的变化情况见图6。从图中可以看出,肋片片距越小,阻力系数Eu越大;阻力系数Eu随着Re数的增加而减小,当Re增加到12000,阻力系数Eu基本不变。片距为3mm时阻力系

12、数Eu 与管排数的关系见图7。从图中可以看出,相同管排数N下,Re 越大,阻力系数Eu越小。相同Re下,阻力系数Eu随管排数N变化较小,当管排数N大于7,阻力系数Eu基本不变。图6不同片距下Eu随Re变化情况图7Eu随管排数N变化情况3.2热交换器内部流动特性图8、9分别是来流速度为7.4m/s时椭圆管与圆管两肋片中心截面气流在流动方向上的速度分布。从图中可见,椭圆管尾流和涡旋比圆管小很多,这正是此类热交换器流动损失小的根源所在。管子周围的流速分布还表明,前后排圆管前端具有较厚的速度边界层,同时管簇最窄截面上椭圆管热交换器中空气的流速也高于圆管热交换器,这些现象从定性上解释了前者换热系数高于后

13、者。此外,速度分布还表明椭圆管热交换器具有良好的出口速度均匀性。图8椭圆管两肋片中心截面速度分布图9圆管两肋片中心截面速度分布4结论(1与圆管换热器相比,椭圆管换热器空气流动阻力小。当来流速度等于1.5m/s,椭圆管气流阻力比圆管小10%,当来流速度等于11.5m/s,椭圆管比圆管小24%。在汽车风洞的高速工况下,使用椭圆管热交换器有利于满足风洞低阻力损失的要求。(2就换热系数而言,椭圆管换热器传热系数比圆管换热器增加30%以上。当来流速度等于3m/s,增加幅度约30%;而当来流速度为10m/s 时,增加幅度约37%。风速增加时此百分比值变化并不显著。(3汽车风洞的试验风速变化范围很大,其中高

14、速情况下风洞对空气流动损失的要求更高。就换热而言,无论高速还是低速,热交换器均需具有良好的换热特性。本文计算分析的结果表明,矩形翅片椭圆管热交换器较同类圆管热交换器更能较好地满足这两方面的要求。参考文献:1马义伟.空冷器设计与应用M.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1998.2Mators R S,Laursen T A,Vargas J B C,et al.Three-di-mensional optimization of staggered finned circular and el-liptic tubes in forced convectionJ.International Journal ofThermal Sciences,2004,43:477-487.3张和平,裴威,流洁.流体绕流椭圆管束流阻特性的数值模拟J.淮海工学院学报(自然科学版,2004,13(4:14-16.4高延福,张秋云.矩形钢翅片椭圆管簇的试验研究J.热能动力工程,1997,12(2:96-98.作者简介:李启良(1980-,男,硕士研究生,通讯地址:201804上海市同济大学嘉定校区学生公寓15-547。(上接第66页参考文献:1GB50189-2005.公共建筑节能设计标准S