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双缝翅片管翅式换热器传热与流动数值模拟研究点击：2213 日期：[ 2014-04-26 22:21:41 ] |
| 双缝翅片管翅式换热器传热与流动数值模拟研究 1.徐百平 1.吴清鹤 2.江楠 2.刘腾霄 (1广东轻工职业技术学院轻化工程系2华南理工大学工控学院) 摘要：采用FLUENT软件，建立了双缝翅片管翅式换热器三维物理模型。采用 RNG K—s湍流模型，对换热器内的流动与传热进行了数值模拟研究。结果表明， 双缝片可使传热提高22．7％ ～42％ ；阻力的计算结果表明，与平直翅片相比，总体阻力系数增加28．29％ ～54．92％ 。 关键词：管翅式换热器冲缝翅片 流动传热数值模拟 前言 管翅式换热器是空调中最常用的换热器结构形式。研究发现¨ j，管翅式换热器热阻分布规律为：管内热阻与铜管翅片的接触热阻及管外空气侧的热阻比为2：1：7。可见，管外翅片的换热仍然是制约换热器效能的主要因素。因此，强化空气侧的换热成了管翅式换热器强化传热的重要问题。平直翅片由于便于加工制造及装配简单，使用过程中不易发生形变，是空调换热器常用的翅片形式之一，国内外学者对其进行了大量的理论与实验研究。Rich(1971)发现，片间距对换热系数有显著影响，而管排数对空气压降几乎没有影响。Sparrow在研究此问题时指出，边界层的发展是制约单排管换热特性的重要因素。后来，Torikoshi(1994)对板间通道进行了3D数值模拟，发现只要翅片间距足够小，管子后旋涡将被翅片的“壁面效应”所抑制，此时整个流场将处于层流状态。Nakayama(1983)对3种结构冲缝片进行了实验研究，得到传热与流阻的关联式。Dejong(1997)等人研究发现，流体通过条缝后，涡旋首先在下游出现，随数增加向上游前移，当翅片间距减小时，临界 数下降。Wang C．C．(1999)研究了12种冲缝片结构 j，发现翅片间距对传热、压降有显著影响。管排数为N=1时，间距减小传热增大，当N>4时，翅片间距对传热压降的影响趋势相反；旋涡的脱落及涡旋的振荡效应是强化传热的根本原因。Du(2000)一 针对管径为7．52mm的研究表明，当Re<2000时，单排管换热性能大于多排管，Yun和Lee也采用实验方法研究了翅片设计参数对传热流阻的影响规律 j。陶文铨基于场协同理论 ，对冲缝片进行了数值模拟研究，发现翅片背风侧的热、流场协同能力较弱，而前缘的场协同能力较好，故提出了“前疏后密”新结构，在阻力几乎不上升的情况下，传热可提高20％以上。冲缝片利用间断表面来抑制边界层的增长及冲条的前缘效应来强化传热，但冲缝的角度与片宽目前还没有得到更深入的研究。 1 数学模型建立 图1为单排管冲缝片管翅式换热器部分结构示意图，这里定义0 、0 分别为迎风、背风面包裹角，代表冲缝翻边起始位置与进风方向的夹角。根据设计要求，从翅片平衡位置向桥片过渡的法向截面夹角均为45。。冲缝片桥高度h代表桥片与翅片平衡位置的距离。 本章对单排管的冲缝翅片换热器进行分析。采用商用的Fluent软件，模拟空气在冷凝器中的流动与传热。采用Gambit建模，然后导人Fluent中进行计算。为减小计算工作量，考虑到换热器结构的对称性，从换热器结构中抽取基本的传热单元进行分析。为此，本文建立如图2所示的物理模型。坐标系如图所示，其中， 方向为翅片宽度方向，Y为翅片间距方向， 为气体流动方向， 即翅片的纵向方向。翅片宽度 取为管间距一半，翅片长度取为翅片纵向长度，Y方向为翅片宽度方向，取法为：Y方向计算区域取为三个相邻翅片通道中剖面之间的部分，其Y坐标分别为一0．68mm 和0．68mm。 不为建立数学模型，考虑冲缝片的强扰动作用以及低雷诺数效应，我们选用经过重整化群处理的RNG，(一 。该模型纳入了低雷诺数影响效应，能够提高对螺旋流的预测精度，与雷诺应力模型(RSM)相比，所需的计算机资源相应下降。将动量方程与能量方程耦合求解。边界条件的确定如下：为使进口区更接近实际情况，将进口区反向延长一倍管径距离，采用均匀来流假设，进口温度Ti =308K；为减少计算量，出口区也延长至一倍管径，采用压力出口边界； 忽略翅片与铜管的接触热阻，则翅片内表面温度与铜管温度相同；管壁采用恒壁温假设 =318K，与空气接触的翅片采用耦合传热边界，即翅片表面温度分布由翅片导热与空气对流传热耦合求解；由于翅片厚度较薄，忽略翅片端部的传热，设为绝热边界；Y方向上下边界为周期性边界，其余边界均采用对称边界来处理。为保证求解精度，动量方程与能量方程采用二阶精度QUICK差分格式离散，采用标准SIMPLE算法进行压力修正。进行网格划分时，进口和出口延长区域采用六面体网格，其余部分采用四面体网格。最大网格尺寸0．1m／n，如当翅片背风面包裹角为30。时，网格总数214万，为便于显示，去掉部分网格结构，部分网格划分见图3所示。 制误差为1 X 10 ，并保证计算结束时通道阻力系数C 保持不变。此外，检验流体进出换热单元的质量平衡达到10～kg／s，总体热平衡达1O w 量级。 2 几何尺寸及物性参数 给定不同的进口速度M=1．0—3．5m／s，各参数定义如下。 本文计算采用的结构尺寸是目前商用空调换热器常用的尺寸，材料为铝箔，如表1所示。 图4为翅片通道中分面内(Y=0．68mm)的速度矢量分布。可以看出，由于冲缝桥片的存在，改变了翅片通道内的阻力特性，使负压操作的条件下，空气进人换热器的风量分布比平直翅片管通道均匀得多，基本上消除了管子前缘人口空气低流速区。图5中／1, 为 方向速度分布，可见空气进口速度要均匀得多，管子前缘速度为最大速度的60％左右。由于采用了湍流模型，与平直翅片相比，沿高度Y方向速度分布要均匀得多。通道内的高速度区主要集中在翅片通道的中后部，最大速度区出现在紧贴管壁的后半部区域。由于桥片包裹角的作用，管子背风侧死区被有效地抑制，这和平直翅片管比起来，管子后面的翅片面积得到了更有效的利用，这对于强化传热及降低形体阻力有利。 图6为翅片上表面及管子表面沿程空气传热膜系数分布，图7则为翅片上表面的Nu数分布。从图中可以看出，翅片表面给热系数分布比平直翅片要均匀得多，翅片前缘及冲缝桥片前缘传热系数较高，前缘效应使得传热得到强化，桥片的存在提高了通道内空气Y方向温度的均匀程度，因而总体来讲量值要大。管子的传热主要发生在管子的迎风面，沿流向向下游逐渐减小，管子背风侧翅片表面的空气传热膜系数得到了有效的提高。空调换热器桥片纵向长度很短，换热过程属未充分发展过程，有利于利用热边界层未充分发展来强化传热。图8的阻力沿程分布表明，阻力分布不均匀，桥片前、后缘的局部阻力较大，翅片表面近管壁区中前部也存在局部阻力极大值，这一区域的传热也得到相应的提高，参见图6、图7。可见，冲缝翅片通道的传热阻力性能更符合相似定律。 由图可见，随着空气流速的提高，单元的换热量增加。和平直翅片相比，冲缝片单元换热量提高33，5％ ～50．17％ ，这与文献报道的实验结果相吻合。进一步我们可得到通道内传热与流阻随流速变化的关系，如图l0、图l1所示。 图l0的结果表明，随着流速增大，Nu数的增大趋势要高于平直翅片，说明桥片在高速下更能显示强化传热的优势。在计算的范围内，冲缝片可使传热提高22．7％ ～42％；由图l1可以看出．和平直翅片相比，总阻力系数增加28．29％ ～54．92％ 。 4 结论 采用商用FLUENT软件，采用重整化群处理的RNG，c一 湍流模型对冲缝翅片通道内的空气流动与传热进行了数值模拟研究。结果表明，由于冲缝桥片的存在，改变了翅片通道内的阻力特性，使负压操作的条件下，空气进入换热器的风量分布比平直翅片管通道均匀得多，基本上消除了管子前缘入口空气低流速区。桥片纵向长度很短，换热过程属未充分发展过程，有利于利用热边界层未充分发展来强化传热。和平直翅片相比，相同流速下，冲缝片可使传热提高22．7％ ～42％；总阻力系数增加28．29％ ～54．92％ 。 |
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