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肋片管换热器管外三维流动与传热的数值模拟点击：1839 日期：[ 2014-04-26 22:00:37 ] |
| 肋片管换热器管外三维流动与传热的数值模拟 安阳工学院 秦保军 南京航空航天大学 朱春玲 摘要：对肋片管换热器管外三维流动与传热情况进行了数值模拟,计算结果表明所建立 的简化模型是可行的,拟合得到的换热公式达到了一定的准确度。 关键词：肋片管换热器 流动 传热 数值模拟 0 引言 采用紧凑、高效的换热器,不仅可使空调制冷系统装置 的尺寸减小、质量减少,而且由于装置的功耗减少,可降低整个系统的能耗比。因此研究各种高效、紧凑的换热器具有重要意义。目前空调系统大都采用肋片管换热器,肋片 的形式多种多样,有矩形肋片、圆肋片、波纹肋片、百叶窗式 肋片等等。长期以来,对于肋片管换热器的传热研究大多依赖于实验研究,数值研究工作很少。为了对肋片管换热器管外流动与换热的规律有一个比较清晰的了解,本文对 矩形肋片管换热器进行了数值模拟。 1 物理模型和计算区域 研究对象为空调用冷凝器或蒸发器,其局部结构如图 1所示。制冷剂在管内流动,管外空气横向掠过,管子叉排 布置。用FLUENT软件进行数值模拟,计算区域取两片 肋片之间,肋片长100 mm,宽35 mm,厚0.2 mm,间距2.5 mm,管外径25 mm,x方向管间中心距为55 mm,整个计算 区域生成网格后如图2所示。 图2计算区域网格图 2 层流数值模拟 2.1 控制方程 在数值模拟中,作了如下假设:1)流体物性参数为常 数;2)流体在壁面处无滑移;3)流动是定常的;4)不考虑自然对流和辐射换热的影响;5)忽略肋片厚度的影响。控制方程如下。 连续性方程: 动量方程: 式(1)~(5)中 U为流体的速度,U在x,y,z三个坐标上 的分量分别为u,v,w;p为压力;ρ,cp,ν,λ,T分别为流体的 密度、比定压热容、运动黏度、导热系数、温度。 2.2 边界条件 在数值模拟中,给定左端面空气的进口速度及温度值, 对右端面进行局部单向化假设,肋片的上下表面及管子的 表面定为等壁温条件,假定其他表面法向速度为零。 2.3 计算结果及分析 肋片间流动的流体的雷诺数按下式定义: 式中 Dh为当量直径,考虑到肋片较长而肋片间距较小, 当量直径近似按平行平板求取;μ为动力黏度。 在层流数值模拟中,空气温度定为30℃,壁温定为40 ℃,进口速度分别取为1,2,3,…,9,10 m/s,雷诺数为 312.5~3 125,采用了SIMPLEC算法求解控制方程,计算 了10组数据。图3是进口速度为1 m/s时某剖面上的速 度矢量图(其他进口速度时具有类似的分布),从图中可以看出,空气横掠过肋片管时除了具有边界层特征外,还会出现绕流脱体、形成旋涡的现象,这与黏性流体绕过圆柱体的 流动理论相一致。流体在前驻点速度为零,而后沿着圆柱体 的一侧流动,流体在圆柱体的前半部分升压时,速度逐渐增 大到最大值;在后半部分升压时,速度逐渐下降,到后驻点时重新等于零。在此之后流体继续前进,开始绕过另一个圆柱体。从图3可以看到,流体在圆柱体的后面产生了旋涡。从 图4~5可以很清楚地看出流体区的速度和压力分布情况。 图6为y=15 mm处剖面的温度分布图,从图中可以看出,流体的温度上下对称分布,这是因为本次计算采用了等壁温条件且肋片上下对称。从图中可以很清楚地看出此 温度场分为了两个区域:热边界层和主流区。 3 湍流数值模拟 3.1 控制方程 在湍流数值模拟中,采用了同层流一样的假设,控制方程中的连续性方程、动量方程及能量方程与层流时一样。计算时采用了Kε两方程模型,近壁处采用壁面函数法处理。 3.2 边界条件 与层流一样,给出左端面空气的进口速度、温度以及 K,ε等值;计算中,湍流动能K取来流的平均动能的 0.5%,ε按ε=cμρK2/ηt计算得出;出口边界按局部单向化 处理,肋片的上下表面及管子的表面取等壁温条件,假定其 他表面法向速度为零。 3.3 计算结果及分析 在湍流数值模拟中,空气温度定为30℃,壁温定为80 ℃,进口速度分别取为50,52,54,56,58,60 m/s,雷诺数为 15 625~18 750,采用SIMPLEC算法求解控制方程,计算 了5组数据。图7是进口速度为60 m/s时某剖面的速度 矢量图,图8为y=15 mm处剖面的温度分布图。相对于层流而言,流体质点的运动变得杂乱。而流体的温度分布 特点与层流时的一致。 4 进口速度与传热性能的关系 计算中,对流换热可近似看作气体在长方形截面内的强制对流换热和气体横掠圆管时的对流换热的混合作用。 处理计算数据时,在计算出流体区的温度场后,应用下式求 表面传热系数h: 由计算结果可以拟合得到温度沿y方向的函数关系, 再对求出的函数求导,求出其在y=0处的导数,这样由式 (7)即可求出表面传热系数,从而进一步可以求出努塞尔数 Nu。数据处理结果见图9~12。 从图9~12可以看出,不论是层流还是湍流,随着进口速度的增大,强化传热的效果越来越好。 5 结论 对肋片管换热器管外三维流动与传热情况进行了数值模拟,计算结果表明所建立的简化模型是可行的,拟合得到的换热公式达到了一定的准确度。但也存在以下不足,需要在今后加以完善:1)由于计算量太大,对于湍流没有能够多做几组数据;2)没有对管壁定热流的情况进行数值模拟;3)管间距是固定的,未充分考虑管间距对换热的影响。 参考文献 [1] 杨世铭,陶文铨.传热学[M].北京:高等教育出版社,1998 [2] 陶文铨.数值传热学[M].2版.西安:西安交通大学出版社, 2001 [3] 张慕瑾,史美中,杨贤骏.翅片管换热器的翅片效率与传热性 能[J].东南大学学报,1994,24(增刊):44 49 [4] Kuwahara K. A novel finite difference method for flow simulation and visualization[C]∥Proceedings of Symposium of Energy Engineering in the 21st Century,2000:149 160 |
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