【正文】 。采用標準 kε湍流模型和 SIMPLE 算法求解三維NavierStokes方程，模擬和分析了板翅式散熱器雙通道不同參數(shù)對翅片表面?zhèn)鳠崤c流動阻力的影響，發(fā)現(xiàn)：阻力系數(shù)隨著進口流速的增大而減小。在相同的模擬條件下，人字形翅片的換熱性能高于波浪形翅片，但是阻力損失卻相差不大，波浪形翅片在減少流動損失方面沒有很大的優(yōu)勢。最后把3種翅片在相同操作條件下的j因子和f因子進行比較發(fā)現(xiàn)： 鋸齒翅片和波紋翅片的傳熱性能優(yōu)于平直翅片， 說明改善換熱器換熱表面的幾何形狀對板翅式換熱器的性能影響至關(guān)重要。王先超、水黎明[40]等人，通過對波紋翅片數(shù)值模擬的分析，得出了影響波紋翅片換熱因子j和阻力因子f 的因素，同時把不同雷諾數(shù)Re下的波紋翅片與矩形翅片（即平直翅片）、矩形開縫翅片（平直翅片開縫得到）進行了分析比較。數(shù)值傳熱學的基本思想是把原來在空間與時間坐標中連續(xù)的物理量的場（例如速度場，溫度場，濃度場等），用一系列有限個離散點上的值的集合來代替，通過一定的原則建立起這些離散點變量值之間關(guān)系的代數(shù)方程（稱為離散方程）。作者研究了在翅片表面開廠角翼處理，這一設計形成的縱向禍流促使冷熱流體的混合，強化了換熱。2010印，BoiTajoPelaez等[44]對平翅片管空氣側(cè)換熱特性模擬。2009年，Naphon[50]模擬研究波紋片結(jié)構(gòu)參數(shù)對溫度和流動分的影響。研究發(fā)現(xiàn)，翅片間距降低，管排數(shù)倍加，其余結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的情況下，空氣側(cè)換熱系數(shù)降低：針對不同排管的換熱器，以管外徑為均最進徑，Re數(shù)變化范圍從500到900，空氣側(cè)換熱系數(shù)會降低大約10%。在文獻[42]中，作者對9種結(jié)構(gòu)不的雙金屬螺旋翅符進行了傳熱和阻力性能的分析。增加翅片密度形式多樣，例如平翅片、條縫翅片、西葉窗翅片等等。翅片厚度越小，傳熱性能越好。1996年，Rammohan Rao[47]等實驗研究水平翅片自然對流和輻射換熱的關(guān)系。而后Xu[31]模擬研究空調(diào)單元中蒸發(fā)器的湍流流動。1973年，Rich[28]實驗研究14種不同結(jié)構(gòu)平翅片，結(jié)果表明，在其研究范文內(nèi)，翅片間距不影響傳熱效率，單根管子的壓降和管排數(shù)無關(guān)。管翅式換熱器的翅片結(jié)構(gòu)形式對其傳熱性能和阻力性能有很大的影響。適應性強：板式換熱器板片為獨立元件，可按要求隨意增減流程，形式多樣；可適用于各種不同的、工藝的要求。h，比管殼式換熱器的熱效率高3~5倍。翅片除承擔主要的傳熱任務外，還起著兩隔板之間的加強作用，所以盡管翅片和隔板材料都很薄，但其強度很高，故能承受較高的壓力。翅片是管翅式換熱器的最基本的原件，傳熱過程主要是依靠翅片來完成的，一部分直接由板來完成。管翅式換熱器的芯體則是由多個這樣的單位組成。翅片分為單、雙或多排結(jié)構(gòu)。隨著我國工業(yè)的不斷發(fā)展，對能源利用、開發(fā)的合理性與有效性的要求不斷提高，因而對換熱器性能的要求也日益增加。例如在是有化工工廠中，它的投資要占到整個建廠投資的1/5左右，它的重量站工藝設備總重的40%；在年產(chǎn)30萬噸的乙烯裝置中，它的投資站總投資的25%。 Experimental correlations。exchanger關(guān)鍵詞：翅片形式；管翅式；換熱器；關(guān)聯(lián)式；流動換熱性能Study on heat transfer and flow characteristics of finandtube heat exchangers with various fin types Abstract： With the development of refrigeration and air conditioning, high efficiency, energy saving and material saving pact type of heat exchanger is development, as one kind of對于它的研究不僅有利于提高換熱器的換熱效率及其整體性能,而且對改進翅片換熱器的設計型式,推出更加節(jié)能、節(jié)材的緊湊式換熱器有著重要的指導意義。由于翅片管式換熱器在翅片結(jié)構(gòu)形式和幾何尺寸的不同,造成其換熱性能和阻力性能上的極大差異。pacthas Comparison 目錄1 緒論 2 1 1 2 管翅式換熱器的換熱過程 2 3 3 4 6 管翅式換熱器的不同形式的翅片研究現(xiàn)狀 72影響翅片換熱和壓降性能的主要結(jié)構(gòu)因素 9 10 10 11 113．不同翅片經(jīng)驗關(guān)系式總結(jié)及比較 12 平直翅片經(jīng)驗關(guān)系式的總結(jié) 12 波紋翅片經(jīng)驗關(guān)系式的總結(jié) 16 百葉窗翅片經(jīng)驗關(guān)系式的總結(jié) 21 開縫翅片經(jīng)驗關(guān)系式的總結(jié) 244．四種翅片經(jīng)驗關(guān)系式比較 29結(jié)論 36參考文獻 38致謝 42 1 緒論換熱器是國民生產(chǎn)中的重要設備，其應用遍及動力、冶金、化工、煉油、建筑、機械制造、食品、醫(yī)藥及航空等各工業(yè)部門。由于世界上燃煤、石油、天然氣資源儲量有限而面臨這能源短缺的局面，各國都致力于新能源的開發(fā)，并積極開展預熱回收及節(jié)能工作，因而換熱器的應用又與能源的開發(fā)及節(jié)約有著密切的聯(lián)系。特別是對換熱器的研究必須滿足各種特殊情況和苛刻條件的要求，對它的研究也就顯得更為重要。這種形式的換熱器具有結(jié)構(gòu)簡單，便于加工、裝配的特點，廣泛的應用于石油化工、航空、車輛、動力機械、空分、深低溫領(lǐng)域、原子能和宇宙航天等工業(yè)部門。如果對各個通道進行不同的疊置和排列并釬焊成整體，即可得到最常用的錯流、逆流、錯逆流管翅式換熱器芯體、管翅式換熱器內(nèi) 可組成各種形式的流道，為使流體分布更加均勻，在流道的兩段部均設置導流片，在導流片上開設許多小孔，使流體能夠相互穿通。翅片與隔板的連接均為焊鉗，因此大部分熱量經(jīng)翅片，通過隔板傳到了冷流體。高效節(jié)能：其換熱系數(shù)在3000～4500kcal/m2結(jié)構(gòu)緊湊：板式換熱器板片緊密排列，與其他換熱器類型相比，板式換熱器的占地面積和占用空間較少，面積相同換熱量的板式換熱器僅為管殼式換熱器的1/5。不串液，板式換熱器密封槽設置泄液液道，各種介質(zhì)不會串通，即使出現(xiàn)泄露，介質(zhì)總是向外排出。管翅式換熱器的翅片型式很多，從最初的平直翅片到波紋翅片、銀齒形翅片、百葉窗式翅片及打孔式翅片等。1974年，Saboya等[29]首次在復雜的單排平翅片管換熱器的翅片側(cè)利用實驗定量計算局部傳熱系數(shù)，總結(jié)出翅片表面局部Sh數(shù)的分布。利用熱線風速儀技術(shù)得到平均速度值和流動的湍流參數(shù)，由于凝結(jié)物的影響，實驗結(jié)果會有流動干擾。借助干涉儀和數(shù)偵微分方獲得對流換熱量和福射換熱量，并得到Nu和Re的關(guān)聯(lián)式。同年，Meyer[42]采用實驗研究了空氣的入口尺寸和出口速度分布都影響換熱器的空氣流動特性。該作者在原有氣換熱器基礎上，用三種方法增加條縫翅片，做大量實驗檢測換熱器性能，實驗結(jié)果表明：換熱系數(shù)和壓降值隨翅片密度的增加相應增大。水在管內(nèi)流動，交氣垂直流向管子，為獲得傳熱系數(shù)采用NTU法，給出了氣側(cè)壓降關(guān)于幾何參數(shù)的關(guān)聯(lián)式。同翅片間距情形下，管排數(shù)從1增加到4，換熱系數(shù)會逐漸降低。得出在熱流條件情況下，流體流過波紋片，不斷破壞熱邊界條件：波紋夾角的大小影響換量。以前對空氣側(cè)換熱特性的模擬只是分析換熱器空氣側(cè)，而把翅片與管壁溫度設為定值。2012年，Aslam Bhutta[43]總結(jié)CFD在換熱器研究領(lǐng)域的應用以及實現(xiàn)模擬效染所使)U的算法。求解所建立起來的代數(shù)方程從而獲得求解變量的近似值。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：翅片厚度對波紋翅片的換熱因子j 和阻力因子f 影響不大，但翅片間距sf對波紋翅片的阻力因子 f 影響較大；雷諾數(shù) Re 在 400～2000 范圍內(nèi)時，波紋翅片的換熱因子 j 是同雷諾數(shù)下矩形翅片的 2～28 倍之間，阻力因子 f 是同雷諾數(shù)下矩形翅片的 28～4 倍；雷諾數(shù)在 2000～10000 范圍內(nèi)，波紋翅片的換熱因子 j 是同雷諾數(shù)下矩形翅片的 2～28 倍之間，阻力因子 f 是同雷諾數(shù)下矩形翅片的 35～4 倍；波紋翅片與矩形開縫翅片的阻力因子 j 隨雷諾數(shù)的變化很小，兩者非常接近。王維斌、傅憲輝、吳茂剛[25]等人以波浪形翅片和人字形翅片為研究對象，在合理簡化條件下給出了物理模型和數(shù)學模型，通過對不同進口風速下翅片通道的換熱和流動特性進行了數(shù)值模擬研究。兩者流動與傳熱特性的差別，主要是因為翅片流場中漩渦的形成與脫落存在差異。通過分析得到了阻力系數(shù)與平均流速的擬合函數(shù)，計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)基本吻合，更進一步說明 CFD 方法的可行性。(3)目前對波紋翅片管換熱器表面的流動與換熱特性的研究主要集屮在實驗研究方面，由于其結(jié)構(gòu)的復雜性，數(shù)值模擬工作開展的較少。管翅式換熱器是人們在改進管式換熱面的過程中最早也是最成功地發(fā)現(xiàn)之一。當氣流通過蒸發(fā)器時，由于空氣中的水蒸氣不斷地在翅片管表面沉積，空氣由于除濕作用相對濕度降低，沿氣流方向翅片盤管表面結(jié)霜量是遞減的，如果采取變片距結(jié)構(gòu)，可以在結(jié)霜條件下保持其較高的傳熱效率，并延長其沖霜時間。在不增大整體設備尺寸的前提下，增加其內(nèi)表面換熱面積，加強管內(nèi)流體的擾動，在原有換熱器的管內(nèi)壁上加工變螺距內(nèi)螺紋。管內(nèi)表面積的增大主要集中在異型管的開發(fā)方面，綜觀各種不同形狀的強化管，其共同特點是在兼顧壓降的同時，傳熱面積都有不同程度的增加，并通過兩種機理提高其傳熱系數(shù)進行強化換熱。在已加工好的管壁內(nèi)部加工變螺距內(nèi)螺紋，不但可以擴大管子的內(nèi)表面積，增加傳熱面積，并且由于管子不再是光管，內(nèi)部有螺紋所以內(nèi)壁變得粗糙，可以破壞層流邊界層，使管內(nèi)的制冷劑的流態(tài)變成紊流，從而提高管內(nèi)對流換熱系數(shù)。：（1）平直翅片Rich[28]發(fā)現(xiàn)翅片間距對傳熱系數(shù)有著顯著的影響，而管排數(shù)對空氣壓降幾乎沒有什么影響。（2）波紋翅片及開縫翅片Bemard[30]對波紋翅片通道內(nèi)傳熱機理進行研究，發(fā)現(xiàn)存在臨界Re，管排數(shù)對傳熱影響趨勢與平直翅片相反，但變化的量值壁平直翅片管束要小得多。（3）百葉窗翅片F(xiàn)iebig等人[52]采用漩渦發(fā)生器強化傳熱，當攻角為45176。Leu等人對橢圓管、圓管百葉窗換熱器進行了數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明管子背風側(cè)的換熱惡化，百葉窗的窗片前緣效應在強化傳熱中起到了重要的作用，對比橢圓管與圓管的總體換熱行為，發(fā)現(xiàn)橢圓管的強化傳熱能力沒有人們以前預想的好。何雅玲[46]等人采用樹枝模擬方法研究了多排管束管子縱橫向間距對傳熱的影響，認為傳熱隨其縱橫間距的增大而減小，進一步場協(xié)同原理總體平均分析表面，橫向管距越小，縱向管距越大，場協(xié)同性越好（2）波紋翅片辛榮昌[19]的研究表明，翅片艱巨的影響受控于管排數(shù)，翅片艱巨越小，阻力系數(shù)f越大，而且管排數(shù)對阻力系數(shù)的影響很小。（3）百葉窗翅片張智[45]采用Fluent軟件模擬雙排管弧形百葉窗翅片片厚、翅片間距、翅片寬度對換熱量及傳熱j銀子的影響。管排數(shù)為1時，翅片艱巨減小傳熱增大。Tao[53]基于場協(xié)同理論，通過數(shù)值模擬研究，根據(jù)翅片背風側(cè)場協(xié)同能力較弱，而前緣的較好，提出了前疏后密的新結(jié)構(gòu)，在阻力幾乎不上升的情況下，傳熱可提高20%以上。較大的空氣流速和較大的管排數(shù)將造成沿翅片的渦流出現(xiàn)，因此這時翅片間距的對換熱系數(shù)的影響可以忽略不計。而對波紋形翅片。翅片間距對條縫形換熱器的換熱及壓降特性有顯著地影響：當N=1時，換熱特性隨著翅片間距的減小而增大。而在濕工況下，翅片間距對換熱性能的影響很小，然而翅片間距對壓降性能有顯著的影響。然而當ReDc3000時，管排數(shù)對換熱的影響將減小。而在高雷諾數(shù)下，換熱系數(shù)會隨著管排數(shù)的增加而增加。當Re1000時，第一排管的換熱性能略低于其它的管子。對于多排管，當Re1000時，管排數(shù)的影響十分小。對于平翅片：對于單排管和雙排管，Dc==。而對于其它的翅片類型(波紋形翅片、條縫形翅片、百葉窗翅片)，采用小管徑的換熱管，同樣可以減小管排的拖曳作用，同時增大管外換熱系數(shù)。而雷諾數(shù)Re=5000時，Pl=22mm的摩擦系數(shù)要比Pl=%。在過去很多年內(nèi)許多研究者致力于研究平直翅片的換熱特性和阻力特性，Wang[15]等人從1971年開始在這方面做出了很多有影響的工作。需要指出的是Gray 和Webb[7]的經(jīng)驗關(guān)系式主要范圍是較大的管徑、較大的橫向管間距、較大的縱向管間距和較多列數(shù)的管束。但是，以前發(fā)表過的關(guān)系式大部分是基于管徑較大的管子。當并且時，翅片距對換熱系數(shù)的影響可以忽略。Wang等人還對潮濕環(huán)境下的翅管式換熱器進行了研究[4]。相對濕度對范寧（Fanning）摩擦因子的影響在摩擦因子經(jīng)驗關(guān)系式里由冷凝膜（condensate film）的雷諾數(shù)來表示。通過試驗康海軍[919]指出在(2～3)103范圍內(nèi)，隨著翅片距的增加，換熱系數(shù)是降低的，并且隨著數(shù)的增加，翅片距對換熱效果的影響逐漸減弱。最后康海軍給出了換熱和阻力的關(guān)系式，如下： （325） （326） 何國庚等[10]分別對16列、26列和32列的平直翅片空氣冷卻器進行了實驗，指出風速對風側(cè)阻力的影響并不相同：在較少管束列數(shù)時，風速的影響顯著些；而隨著管束列數(shù)的增加，風速的影響也趨向穩(wěn)定。 波紋翅片經(jīng)驗關(guān)系式的總結(jié)波紋翅片是最常見的強化翅片形式。波紋翅片表面能夠延長空氣流動的路徑，因此，相比較平直翅片來說有更好的換熱效果。因此1列管束的因子比多列管束的因子低10％到20％。當雷諾數(shù)減小時，下游空氣的擾動減小甚至消失，在圓管后面就形成漩渦。在低雷諾數(shù)時，換熱系數(shù)先隨著管束列數(shù)的增加而減小，在高雷諾數(shù)區(qū)域，管束列數(shù)的影響幾乎可以忽略，臨界雷諾數(shù)大概為2000。較小管徑波紋翅片管換熱器的經(jīng)驗關(guān)系式如下[15]： （329） （330）