圆弧形组合开缝翅片三维数值模拟.pdf

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1、62化工机械2012年圆弧形组合开缝翅片三维数值模拟’王成刚¨郑晓敏王小雨谢小恒喻九阳(武汉工程大学机电工程学院)摘要用数值模拟的方法对翅片管换热器中一种新型圆弧形组合翅片的传热特性进行了数值模拟，结果表明：在翅片后半部开缝与在翅片前半部开缝相比，换热性能增加7％左右，但阻力降不明显。关键词开缝翅片翅片管换热器数值模拟传热阻力中国分类号TQ051．5文献标识码A文章编号0254-6094(2012)Ol枷62旬4开缝翅片管换热器广泛应用于空调、制冷及石化等领域。通过改变翅片的布置形式来改善翅片的性能，对推出节能、省材的紧

2、凑式换热器具有可行的研究意义。通常用于强化传热翅片形式：百叶窗翅片、波纹翅片及开缝翅片等，国外学者研究表明，在以上3种强化传热翅片中开缝翅片性能最优¨一oo由于开缝翅片几何形状的复杂性，影响翅片换热性能的参数很多p’，如果通过采用实验的方法来研究，需要的实验模型会很多并且成本高、时间长，但通过计算机进行数值模拟，则可以克服上述缺点，使研究变得相对容易些，还能提高研究效率。通过数值模拟比较，可先选择出几种换热效果好的翅片形式来生产加工，再通过实验来验证模拟结果，这样既节约成本又可缩短研究周期。屈治国等¨1研究表明，在平直翅

3、片后部开缝比在翅片前部开缝的换热效果好，且用场协同理论解释后开缝翅片比前开缝翅片优越的原因。笔者通过数值模拟验证了后开缝翅片比前开缝翅片换热效果好。为今后通过改变布局形式来增加传热，进一步提高新型圆弧形组合翅片传热性能提供参考依据。1物理模型和边界条件1．1物理模型笔者对4种形式的4排翅片管进行了数值模拟，4种翅片(图1)中翅片l为全部开缝翅片；翅片2只有前半部分开缝，后半部分为平片；翅片3只有后半部分开缝，前半部分为平片，且开缝翅片Oa．翅片l(全开翅片)b．翅片2(前开翅片)c．翅片3(后开翅片)图14种开缝翅片·国

4、家自然科学基金项目(50976080)。··王成刚，男，1974年1月生，在职博士研究生，副教授。湖北省武汉市，430074。ji。．：一、>}L、7Jjr7、、1d．翅片4(平翅片)溉涨测渊涮溅第39卷第l期化工机械63均为单侧开缝；翅片4为平翅片(即翅片上未开缝)。翅片结构尺寸如下：管子外径16．3mm横向管间距35．0mm纵向管间距35．0mm翅片厚度O．3mm翅片间距2．2mm开缝宽度6．0mm开封高度1．3mm入口温度363K管壁温度293K迎风面流速1—9m／s圆弧形开缝翅片三维计算区域的选取如图2所示，该图

5、为全开翅片的计算区域，4种翅片的计算区域与翅片3的相同。由于翅片结构的对称性，只取两片翅片之间的一个换热单元为计算区域。为使气流稳定并保证出口无回流，将入口尺寸沿上游延长一倍的翅片长度，出口尺寸沿下游延长2．5倍的翅片长度一j。⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一一⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一．12，5￡一一一一基基垦爨一一一一一一一一一一一3雷曹督雷图2三维计算区域的示意图1．2控制方程和边界条件假定翅片间空气流动为三维不可压缩稳态层流流动，空气和翅片的物性为常数。其控制方程(连续性方程、动量方程和能量方程)如下：p善一oP毒cu。¨=一毒+

6、p熹(差)p毒cu。r，=丢蠹(署)式中“；、“，——i√方向的速度；石．、茹i——i√方向的坐标；p——空气的密度；p——压力；肛——空气的动力粘度系数；F——温度；A——空气的导热系数；c。——空气的比定压热容。(1)(2)(3)控制方程采用有限体积法离散，压力和速度的耦合问题采用sIMPLE算法进行处理。边界条件如下：a．入口(菇方向)——u为常数，移=加=O，t。为常数；b．出口(戈方向)一警=塞=警=o，芸=0：c．上下边界(。方向)——譬=譬=o，埘：o，dz娑：o；d．前后边界(y方向)——譬=譬=o，秽：

7、o，dyd，，塑：o．dy边界条件中Ⅱ、F、埘分别为算、，，、：方向的速度，管擘处温度取常数，速度为零。2数据整理与结果分析2．1数据整理换热量的计算式：g=g。c。(L。一r。．)换热系数的计算式：

8、Il=叮／(A△r)(4)(5)化工机械2012年对数平均温度的计算式：Ar=(r．“一Lh)／lg(r⋯／r～)L．。：max(Li—r．n，r．。一气。)r．

9、n=min(r“一rh，L。一气。)努塞尔数的计算式：Nu=hD。，X摩擦因子的计算式：(6)(7)，=ApgD。／(—寺-P址：L)(8)二式中瓦。、L。。—

10、—进、出口空气的平均温度；q。——空气质量流量；A——翅片表面换热面积；D．——管子外径；“。——最小截面平均流速；￡——空气流动方向翅片的长度；△r翅片进、出口压降。2．2计算结果分析与讨论由图3可以看出，开缝翅片布置位置不同，整个翅片的换热性能也有所不同。很明显翅片l的换热性能最优，而翅片4的换热性能最差，在所模