辐射对流条件下肋片散热的数值计算和结构优化

1、2004年第2期节能EN ER GY CONSERVA TION (总第259期 9辐射对流条件下肋片散热的数值计算和结构优化陈建芳, 张双喜(青岛建筑工程学院, 山东青岛266033摘要:本文利用matlab 对一种矩形肋片进行了散热数值计算, 以金属热强度为结构优化的目标函数, 通过对计算结果的分析得出了此种肋片的最佳肋高尺寸, 同时, 认为利用matlab 是非常方便的。关键词:矩形肋片; 数值计算; 结构优化中图分类号:T K172:A-031引言(1 稳态的、一维的传热;(2 周围介质温度恒定, 并为周围环境的辐射温度; (3 肋片是漫灰体, 常物性;(4 导热系数、辐射率不随温度变

2、化, 沿肋高方肋片换热是工程中常见的一种散热方式, 本文的研究对象是散热器矩形肋片, 散热器的散热量一直是一个被关注的问题, 在能源日益紧缺的今天, 肋片的结构优化也日益受到重视, 所以笔者在前人研究的基础上, 利用先进的计算机软件对散热器肋片进行了传热数值计算和结构优化。通过对结果所做的详细分析和比较, 得到了矩形肋片的最佳肋高尺寸, 该结论对散热器的工程设计和散热器生产厂家都有很好的指导作用和借鉴意义。2数学模型的建立和求解散热器矩形肋片结构如图1所示, 材料为铝合金。物体传热有对流、导热和辐射三种基本形式, 所以本文同时考虑了三种传热形式, 由于各个肋片都具有相同的温度分布和结构尺寸,

3、所以, 只取一对肋片作为研究对象。在通常情况下, 肋片内的导热热阻常常远小于肋表面的对流换热热阻, 即肋片横截面上的温度可以近似地认为是均匀的, 而在肋高度方向上温度有变化。另外, 肋片所用的材料也是均匀的, 其物性为常数。向的对流换热系数为常数;(5 肋片温度只随肋的高度方向变化, 肋端绝热; 肋间壁面及肋基的温度为T w 。在实际应用时肋的长度方向与地面垂直, 肋的长度分别为520mm ,420mm ,320mm ; 肋的厚度分别为110mm ,019mm 。取厚度为dy 的微元体为研究对象, 根据肋片的能量守恒得出数学模型为:控制微分方程2=(T -T f +q r (y dy2边界条件

4、y =0T =T w y =h q r (y =(=0dyT 4(y -B (y 1-hT 4(y +(1- B (y =wB (y d F dA (y -4dA (y +Bw (z d F dA (y -dA (z +T f d F dA (y -A hT 4w +(1- 2B (y B w (z =4图1肋片结构图d F dA (z -dA (y +T f d F dA (z -A 为了便于问题的分析, 做如下的假设:其中B (y , B w (z , q r (y 分别是肋片、肋间壁节能2004年第 2期EN ER GY CONSERVA TION (总第259期 10面的有效辐射、肋片

5、的辐射换热量。dF dA (y -dA (y 、dF dA (y -dA (w 、dF dA (y -A 0、dF dA (w -dA (y 、dF dA (w -A 0分别是不同微元面之间的角系数。各个系数的计算可参考文献5。上式和图1中各参数的意义如下:; 材料的导热系数,W/(m 2; 肋片的对流换热系数,W/(m 2f 肋片横截面的面积,m 2; U 肋片横截面的周长,m ; 2肋片的厚度,m ;T 肋片的温度, K; T w , T f K; = 肋片表面的发射率; h 肋片的高度,m ; w 肋间距,m 。在本文中以上各个值为:=17014W/(m 2 ; =51364W/(m 2

6、 ; T w =35515; T f = mm ; =5167×291; =01043; w =(12+10-8W/(m 2K 4 。3计算结果及分析图4当L =420mm 时散热量沿肋高方向的变化曲线可以看出数学方程是非齐次的, 因此, 对上面的数学模型各个方程离散后必须利用迭代法, 然后再利用matlab 程序对方程进行求解, 通过对数据的处理后得到了图2图5。从图中可知当肋的长度一定时肋的厚度越大温度变化越小; 当肋的厚度一定时肋的长度越大温度变化越小, 散热量随着肋的高度增大而增大, 肋的厚度不同时其散热量相差不大; 当肋的厚度一定时其长度越大散热量越大, 肋的长度不同时其散

7、热量相差很大。由于曲线的变化趋势相同, 所以当L =520mm 、320mm ; =019mm 、018mm 时的曲线就不再画出了 。图5当2=110mm 时散热量沿肋高方向的变化曲线从表1和表2中可以看出金属热强度随着肋高的增大先增大, 当达到一定的值时开始减小, 此时的肋高值就是最佳肋高尺寸。在肋厚、肋高相同时金属热强度随着肋长的减小而增加, 但是散热量却随=着肋长的减小而减小。对当=019mm 、018mm 不同肋长时的各个量的值, 在此不再列出了。通过比较又可得出:当肋长相同时, 金属热强度、最佳肋高尺寸随着肋厚的减小而增大。值得提出的是, 在计算过程中笔者还发现散热量中辐射换热量也是

8、先随着肋高的增大而增大, 当达到一定值时开始减小。在肋厚、肋高相同时辐射换热量的占有率随着肋长的减小而增加, 当肋长相同时, 而图2当2=110mm 时温度沿肋高方向的变化曲线辐射换热量的占有率随着肋厚的减小而减小。2004年第2期节能EN ER GY CONSERVA TION (总第259期 11从以上的4个图形和表1、2中, 可以得到在设计和选用散热器时, 不能一味地追求大散热量或者高金属热强度, 还需要与实际情况相结合。虽然当肋长相同肋厚越小时金属热强度越大, 但是也要满足工艺要求才行。肋的长度越大散热量越大, 同时也要考虑金属热强度的大小, 不然就会造成材料的浪费。盲目地通过变化肋片

9、的高度来改变辐射换热量的大小, 以此试图来改变总散热量大小的做法也是不可取的。另外, 在理论上分析最佳肋高尺寸会随着肋长度的增加而稍有减小, 但是, 从表1和表2。表1当2=10mm 不同肋长时的金属热强度和最佳肋高尺寸肋长肋厚520肋高/mm203041110424220-1管的周长为20mm 。实验测得的散热量为247W , 建立数学模型利用程序所计算的散热量为242127W , 两者的相差很小, 完全满足工程的要求, 因此利用该种方法来解决此类问题是正确的。图6铝合金散热器结构图5结束语435060(1 现在所用的散热器散热状态与理想状态还最佳肋高尺寸/mm420肋高/mm金属热强度/W

10、 (kg 30404141425030394040415060最佳肋高尺寸/mm320肋高/mm有差距, 所以对散热器结构的优化是非常必要的, 同时如何优化也是非常重要的, 本文为解决该问题提供了参考。(2 散热器在制造和选型时, 要统筹考虑各种要素, 不能以一种要素为标准, 这样才能得到更加舒适的环境, 消除不必要的浪费。(3 在计算散热量的过程中, 还发现在肋基温度比较低的情况下其辐射换热量大约占总散热量的20%左右, 如果肋基温度较高时辐射换热量所占的比例会更高。所以在对散热器肋片进行散热量计算时其辐射换热量一定要考虑。(4 本文只是对矩形肋片进行的优化, 同样对其它形状的肋片也可以借鉴

11、此方法。参考文献1美E M 斯帕罗,R D 塞斯著, 顾传保, 张学学译. 辐射传热M .北京:高等教育出版社,1982.2李亮斌, 杨翔翔. 在辐射和对流条件下肋片传热的研究J.华侨大学学报(自然科学版 ,1989,10(4 .3巨永林, 张玉文, 陈钟颀. 复合换热情况下肋片性能的研究J.甘肃科学学报,1994,6(3 .4张玉文, 陈钟颀. 辐射对流条件下肋片散热的数值计算J.工程热物理学报,1989,10(1 .5樊未军, 杨翔翔. 在复杂边值条件下非稳态肋片的传热的最优化J.华侨大学学报(自然科学版 ,1995,16(3 . 作者简介:陈建芳(1977- , 女, 在读硕士研究生,

12、研究方向:建筑设备节能技术。(收稿日期:2003- 11-24; 修回日期:2003-12-11最佳肋高尺寸/mm表2当2=019mm 不同肋长时的金属热强度和最佳肋高尺寸肋长肋厚520肋高/mm203043019444420-1455060最佳肋高尺寸/mm420肋高/mm金属热强度/W (kg 3042434344506030404141425060最佳肋高尺寸/mm320肋高/mm最佳肋高尺寸/mm4实验验证为了验证利用matlab 解决此种问题的正确性,我们对如图6结构的铝合金散热器的散热量进行了测定, 它的结构与上面所计算的散热器的结构相同, 散热器的壁厚为110mm , 矩形肋片的

13、高度为10mm , 肋片的厚度为110mm , 肋片间距为9mm , 肋的长度为460mm , 联箱表面上也有一些肋片, 最终折合圆节能2004年第2期EN ER GY CONSERVA TION (总第259期 2ciple ,air handling method and key problems. The article will contributeE nergy Conservation(MonthlySponsor :Liaoning Provincial Institute of Science andTechnology InformationPublisher :Energy

14、 Conservation Magazine PublishingHouseChief Editor :ZHAN G Wei 2huaAddress :No. 274Qingnian Boulevard Shenyang CityLiaoning Province ChinaPost Code :110016to the R &Dand design of anti -microbe air -conditioning system.K ey w ords :anti -microbe air -conditioning ;dry condition FCU ;large enthal

15、py drop outside air unit ;humidity first controlAnalysis of energy saving for air -conditioning system on the b ase of building environmentWANG Zhi 2yong ,L IU Ze 2huaAccording to the development of energy conservation , this paper analyzes the affect of building environment on HVAC system. It point

16、s out it is to of environment for energy con 2survey of the tech 2and trends in energy sources ABSTRACTSFebruary 2004K ey w ords :building environment ;heating ventilation and air con 2ditioning ;energy savingThe progress of as a for diesel enginesL I Zhuo ,L IU Xiao 2hongThis article introduces the

17、 progress of dimethyl ether as a fuel for diesel engines related to the engine performance ,particle emission ,fuel injection ,components wear ,sealing ,ignition delay and safety aspects.Several typical flue gas desulfurizationmethods to control harmful gasSUN J in 2yuIt is a common way to control t

18、he release of SO 2with flue gas desulfurization technology. As for the current situation at abroad and home ,several typical flue gas desulfurization methods was introduced and a sound description of the future development about desulfurization tech 2nology was given. The introduction of the princip

19、les and technical process of these methods will offer an ideal reference for many coal power sta 2tions that want to clean and reduce the release of harmful gas.K ey w ords :dimethyl ether ;diesel engine ;fuelImproving the combustion and emissionsof the liquid w aste incineratorZHAO Liang ,L I De 2f

20、 u ,CUI EIn order to improve the combustion and polluted emision for the liq 2uid waste incinerator of acrylonitrile plant , the paper makes tests of emulsified fuel oil combustion ,retrofit burning system ,improving opera 2tion conditions and reducing emission. The measurement results indicate that

21、 the techniques involves can increase the combustion efficiency and reduce polluted emission ,and have double benefits of energy conservation and emission reduction.K ey w ords :combustion -coal power station ;air pollution ;flue gasdesulfurization ;SO 2;technical processDistributed energy system an

22、d sustainable developmentZHANG Hong 2wei , HUANG Su 2yi ,LONG Y anThrough introducing the situation of energy sources of our country &the concept of sustainable development in this thesis , we educe the concept of Distributed Energy System. And then we emphasize to intro 2duce the constitutes 、t

23、raits of DES and its grand meaning and bring for 2ward that the application of DES is imperative under the situation. The degree of application of DES will be main standard to weigh one coun 2try s strength.K ey w ords :liquid waste incinerator ; emulsified fuel oil combu 2sion ;reducing polluted em

24、issionNumerical analysis structural optimization of f ins with radiation and convectionCHEN J ian 2fang , ZHANG Shuang 2xiThis paper deals with numerical analysis of heat transfer of a kind of rectangular fin by using matlab program and analyses the results. The optimal highness of fins is obtained

25、on the condition that metal thermal intensity is target function of structural optimization. At the same time , the writer think that it is very convenient to resolve this kind of problem by using matlab program.K ey w ords :distributed energy system ;distributed power supply ;CCHPThe thermodynamic and economic analysis of heating system of absorption heat pump utilizing w aste heat of oil extr