264 平翅片换热器管外传热与流动特性的数值模拟

平翅片换热器管外传热与流动特性的数值模拟南京师范大学动力工程学院胡洪黄虎宋倩倩夏晨南京新江南机电工程股份有限公司陆春林江苏丹阳苏科空气能研究中心有限公司陈泽民摘要本文利用CFD软件FLUENT对平翅片换热器翅片表面流体流动及换热过程进行了数值模拟，获得了换热器内部流场、温度场以及换热器进出口压降和翅片表面平均对流换热系数等。根据模拟结果，翅片表面对流换热系数随风速增加而增加，但增加速率逐渐下降；换热器进出口压降随着风速的增加而增加，且其增加速度逐渐加快。利用场协同原理进一步分析对流传热，发现流速增大带来换热量增大的根本原因是风量的增加；速度的增加反而导致对流换热过程平均场协同角度增大，使速度场和温度场的协同性变差。关键词平翅片数值模拟场协同原理0引言随着计算机技术的不断发展和进步，中央处理器(CPU)的运算速度大大地提高。进而，使得采用计算流体动力学(CFD)技术对各种实际问题进行模拟计算得到了快速的发展。采用CFD技术模拟实际问题具有费用低、速度快,能模拟较复杂的过程变化等优点，特别是对于一些在实验过程中难易测量或者实验投资较大等问题更具有独特的优势。CFD技术在流体力学及传热方面的研究越来越得到重视和应用。文中利用CFD软件FLUENT对管翅式换热器的平翅片表面空气流动及换热过程进行了数值模拟，研究了换热器内空气的流动特性以及空气与翅片对流换热过程，同时应用场协同原理对对流换热过程进行了进一步的分析。1物理模型描述平翅片换热器相关结构参数如图1所示，铝制翅片厚度0.11mm，内部铜管外径9.52mm，管间距为21.7mm,排间距为25mm。计算区域取在两片翅片之间，中间部分分为流体区，取两片翅片厚度的一般为边界，给定周期性边界条件。为了减小空气入口效应以及出口回流，向外延伸进出口约5倍管径2数学模型及其求解2.1数学模型针对上述物理模型，现对换热过程作如下简化：(1)流体物性参数随空气温度变化甚微，近似为常数；(2)流体在壁面上无滑移;(3)流动是定常的，且是对称的;(4)不考虑自然对流及辐射换热的影响；(5)忽略铜管与翅片之间的接触热阻；(6)由于翅片厚度远小于翅片高度，认为翅片厚度所在的三个侧面换热为零。基于上述假设,得到描述该问题的数学模型，列出主要控制方程如下：连续性方程:（1）动量方程:（2）空气侧能量方程：（3）固体区域内的传热方程：（4）采用标准-模型：方程：（5）方程：（6）上面各式下标均满足爱因斯坦求和约定。式中，为空气在方向的速度，m/s；为气体密度，kg/m3;P为气体静压力，Pa;E为气体比内能，J/kg；为有效传热系数，为层流传热系数，为湍流传热系数，；，为由于平均速度梯度而产生的湍动能,J；为对于的湍流普朗特数，为对于的湍流普朗特数。上述标准-方程模型参数取值见表1。表1标准-模型参数0.091.441.921.01.3边界条件确定：空气进口边界给定进口风速和温度；出口边界条件设置相对压力为零；流固耦合面上的边界条件设置按照壁面函数法[1]来确定。2.2求解思路及方法采用CFD流固共轭传热技术对流动和传热进行计算。选用标准-模型，计算过程中采用有限体积法离散方程，动量方程采用一阶迎风格式，能量方程采用二阶迎风格式，同时计算流体流动的质量、动量、、两方程以及能量方程，计算控制能量方程残差至10-6。控制方程求解采用SIMPLE算法[1]。通过改变入口空气的速度，模拟计算不同风速下空气与翅片的平均对流换热系数和进出口压降变化。进口空气温度给定为35℃，管内流体为9℃，进风速度分别为：0.6m/s,1.2m/s,1.8m/s,2.4m/s,3.0m/s,4/0m/s,5.0m/s,6.0m/s，共八组工况。3求解结果分析3.1模型结果分析通过对上述不同风速的八组工况进行模拟就算，得到空气流场、温度场以及翅片表面温度的分布等。从八组工况中选择有代表性的三组工况的计算结果来进行分析。图2、图3、图4分别给出了风速为0.6m/s、2.4m/s、5.0m/s情况下空气的温度场和速度场。图中标准了部分局部地区的温度值和速度值。图2V=0.6m/s时，空气温度和速度分布云图图3V=2.4m/s时，空气温度和速度分布云图图4V=5.0m/s时，空气温度和速度分布云图由图2、图3、图4可知，在相同的进风温度下，随着空气入口速度的提高，空气出口温度有明显地升高。这是因为速度增加，空气与翅片换热过程接触的时间变短，致使空气在较短时间内来不及与翅片进行充分的换热而使出口温度升高。从速度分布图中来看，不同进口速度下在管后部的小区域内，空气速度几乎变得很小，且进口速度的增加使速度小的区域有所增大，这是因为空气在管后部形成了漩涡，且流速的增加致使旋流区域逐步扩大。而旋流的存在不但会使流动阻力的增加，带来动力消耗的增大，而且在旋流的中心区域附近翅片的换热得到很大的削弱，这与翅片要“前疏后密”法则吻合，即在管前部空气与翅片换热较好，开缝可以稀疏一点；而在管后半部，空气与翅片的换热有较大的削弱，需要进行强化，故此处开缝应当密一点，上述计算结果也能很好地说明这一点。从整个流场来看，温度场的分布在很大程度上受到速度场的影响，故合适的进风速度对于换热器的性能有着重要的影响。流体与换热器的平均对流传热系数与流体进出口压降是评价换热器换热性能的两个重要指标。为此，图5和图6给出了换热器对流换热系数和进出口压降随风速的变化关系。图5对流传热系数随风速变化的关系图6进出口压差随风速变化的关系从图5中可以看出，空气与翅片的对流传热系数随着风速的增加而增加，但增加的速率呈减小趋势。图6给出了进出口压降随风速的变化关系，可以看出，风速的增加导致空气进出口压降增加，且增加的速率加快。结合图5、图6可知，风速增加会带来对流传热系数呈较慢速度增大，但却导致空气进出口压降呈较快速度增大。也即在一定的风速范围内，对流换热系数随风速的增加变化明显，而当风速增大到一定程度时，对流换热系数的增加显得缓慢，但这个过程中空气的进出口压降却呈加速增加趋势。故对于翅片换热器来说，并非提高风速就能很好地提高对流传热系数，同时还应考虑到风速增加导致阻力增加的问题，这一点对于换热器的设计需要引起我们的重视。3.2换热过程的场协同分析我国学者过增元等[3-6]对边界层型流动的能量方程在热边界层内积分，证明了减小速度矢量与温度梯度之间的夹角是强化对流换热的有效措施，这一基本思想被称之为“场协同”原理(Fieldsynergyprinciple)。之后，这一理论不断在数值和实验中得到验证和实际应用，文献[7-8]对有详细的介绍，在此不再赘述。为了更进一步解析空气与翅片对流换热过程的基本机制，利用场协同原理对该过程进行了分析。速度场与温度场夹角平均值定义为：（7）式中：为最小截面平均风速();=0.7，为动力粘度(Pa/s)。图7.全场平均夹角随风速变化关系从图7中可以发现，随着风速的增加，全场的平均场协同角度逐渐增加。根据场协同原理，风速的增加导致对流换热过程速度场和温度梯度场的协同性能变差，使对流换热过程在同等情况下有一定削弱。而风速的增加确实能够带来换热量的增加，但这个过程中换热量增加的根本原因在于风速增加带来的流量增大。4结论（1）在进风温度一定时，风速增加使空气进出口温差减小。风速增加导致管后旋流区域增大，使内部流动粘性阻力增加。（2）空气与翅片换热器对流换热系数随着风速的增加而增加，但增加速率呈减小趋势；空气进出口压降随风速的增加而呈加速增加趋势。（3）风速增加带来换热量增加的根本原因在由于风速增大带来的流量增大；风速增加反而导致对流换热过程中温度梯度场与速度场的协同性能变差。参考文献：[1]陶文铨.数值传热学(第2版)[M].西安：西安交通大学出版社，2001.pp353～356.[2]过增元,黄素逸.场协同原理与强化传热新技术[M].北京:中国电力出版社,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]过增元.对流换热的物理机制：速度场与温度场的协同[J].科学通报,2000,45(19):2118～2122.[7]GuoZY，TaoWQ，ShahRK.Thefields