【導(dǎo)讀】主題,因此各行業(yè)的學(xué)者都肩負(fù)減少能耗的重任。板翅式換熱器是在20世紀(jì)問(wèn)世的,航天等各領(lǐng)域已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用。度，對(duì)換熱器的性能有很大的提升。本文應(yīng)用FLUENT軟件針對(duì)波紋翅片管換熱器空氣側(cè)換熱進(jìn)行數(shù)值模擬。究Re數(shù)、管排數(shù)和管徑等參數(shù)對(duì)空氣側(cè)傳熱和流動(dòng)特性的影響。同時(shí)對(duì)不同尺寸的。們的數(shù)值判斷翅片在該模型下的性能優(yōu)略。最后考察了波紋形式、管排、翅片間距、波峰到波谷投射長(zhǎng)度和波峰到波谷高度對(duì)流動(dòng)換熱性能的影響。并在利用熱能、回收余熱、

　　

【正文】 ??? (32) 能量方程： ? ?ii i p iTuTx x c x?? ??? ? ?? ??? ? ??? (33) 由于控制方程是橢圓型的，所以在所有的邊界上應(yīng)給出求解變量的邊界條件。計(jì)算 區(qū)域（圖 36）的各邊界條件如下 進(jìn)口：假定進(jìn)口速度為均勻來(lái)流， 常數(shù)?u ， 0??wv ； 進(jìn)口溫度為均勻溫度， 常數(shù)?inT 。 出口：采用局部單向化條件。 前后邊界：除管子外為對(duì)稱邊界條件， 0?????? ywyu， 0?v ， 0???yT，管子的溫度邊界條件為 tubeT ?常 數(shù) ，忽略翅片和銅管外壁的接觸熱阻，即翅片根部溫度與銅管外壁溫度一致。 固體邊界條件：管子和翅片的速度邊界條件是速度為零， 0??? wvu ，翅片表面的溫度由自身導(dǎo)熱和表面對(duì)流換熱耦合計(jì)算確定。 上下邊界：延長(zhǎng)區(qū)假定對(duì)稱邊界條件， 0?????? zvzu ， 0?w ， 0???zT ，翅片區(qū)對(duì)速度為固體邊界條件 0??? wvu ，對(duì)溫度為對(duì)稱邊界條件 0???zT 。 數(shù)值模擬計(jì)算采用有限體積法來(lái)離散方程 ，對(duì)流項(xiàng)的離散采用二階迎風(fēng)格式， 計(jì)算所采用的湍流模型為 Standard kε 模型， 壓力和速度耦合采用 SIMPLEC 格式，壓力插值方式采用 Standard 格式。由于計(jì)算區(qū)域中同時(shí)存在著固體導(dǎo)熱和氣體對(duì)流換熱，故采用氣固耦合計(jì)算模型，在這里耦合計(jì)算是指在計(jì)算中將氣體和固體區(qū)域作為一個(gè)整體全場(chǎng)求解，固體和氣體的交界面稱為耦合面。 計(jì)算網(wǎng)格無(wú)關(guān)性考核 相應(yīng)地在對(duì)光滑波紋翅片管翅式換熱器物理模型進(jìn)行計(jì)算之前，先進(jìn)行了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性考核，如圖 37 所示。 圖 37 是 光滑波紋翅片管翅式換熱器物理模型 在迎風(fēng)速度vfr=（cDRe=10471）、四種不同網(wǎng)格的情況下的計(jì)算結(jié)果。如圖所示， 網(wǎng)格數(shù)為199920 與網(wǎng)格數(shù)為 133280 的 Nu 數(shù)相差 %， p? 相差 %；網(wǎng)格數(shù)為 199920 與網(wǎng)格數(shù)為 266560 的 Nu 數(shù)相差 %， p? 相差 %，所以本章采用網(wǎng)格數(shù)為 199920西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 23 進(jìn)行計(jì)算。 50000 100000 150000 202000 250000 3000003 3 .63 3 .83 4 .03 4 .23 4 .43 4 .63 4 .83 5 .019992013328026656066640vfr= m /sNu Grid Nu m b e r (a) Nu 數(shù) 與網(wǎng)格數(shù)關(guān)系 50000 100000 150000 202000 250000 300000250300350400450500?p / PaGrid Nu m b e rvfr= m /s 19992026656013328066640 (b) p? 與網(wǎng)格數(shù)關(guān)系 圖 37 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性考核 幾何參數(shù)對(duì)波紋翅片管翅式換熱器的換熱阻力性能的影響 影響波紋翅片管翅式換熱器換熱性能的參數(shù)有波紋翅片形狀、管排數(shù)、翅片間距Fp、 波峰到波谷投射長(zhǎng)度 Xf和波峰到波谷高度 Pd 等。本節(jié)通過(guò)數(shù)值計(jì)算考核這些因素 對(duì) 波紋翅片管翅式換熱器流動(dòng)換熱性能的影響。 波紋翅片形狀的影響 波紋翅片一般分為 人字形和光滑形， 本節(jié)通過(guò)數(shù)值計(jì)算方法 來(lái)考察波紋翅片形狀對(duì)流動(dòng)換熱的影響， 管子的材料為白銅，翅片的材料為鋁合金 。 計(jì)算模型采用的波紋翅片幾何參數(shù)如表 35 所示。 表 35 波紋翅片幾何形狀 翅片形式 N d2/mm δf /mm Fp/mm Pt /mm Pl /mm Xf /mm Pd /mm 西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 24 光滑形 6 人之形 6 計(jì)算結(jié)果如圖 38～圖 311 所示。從圖 38 和圖 39 可以看出， Nu 數(shù)隨著迎風(fēng)速度的增大 而增 大， p? 同樣隨著迎風(fēng)速度的增大而增加； 從圖 310 和圖 311 可以看出，j 因子隨著cDRe的增大 而減小， p? 同樣隨著cDRe的增大而減小。 5 6 7 8 93035404550 sm ooth w av y 計(jì)算值 herring bone w av y 計(jì)算值vfr / m /sNu 圖 38 翅片形式對(duì)波紋翅片換熱性能的影響 5 6 7 8 93004005006007008009001000 sm ooth w av y 計(jì)算值 herring bone w av y 計(jì)算值vfr / m /s?p / Pa 圖 39 翅片形式對(duì)波紋翅片 阻力性能的影響 10000 12020 14000 16000 18000 202000 .0 0 2 50 .0 0 30 .0 0 3 50 .0 0 40 .0 0 4 50 .0 0 5jReDc sm ooth w av y 計(jì)算值 herring bone w av y 計(jì)算值 西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 25 圖 310 翅片形式對(duì)波紋翅片換熱性能的影響 10000 12020 14000 16000 18000 202000 .3 50 .40 .4 50 .50 .5 50 .60 .6 5ReDcf sm ooth w av y 計(jì)算值 herring bone w av y 計(jì)算值 圖 311 翅片形式對(duì)波紋翅片阻力性能的影響 強(qiáng)化換熱的同時(shí)往往伴隨著壓降增加，評(píng)價(jià)一種傳熱強(qiáng)化方式的優(yōu)劣是研究傳熱強(qiáng)化方法中的一個(gè)重要問(wèn)題。本節(jié)采用 j/f 的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則對(duì)這兩種翅片的綜合換熱性能進(jìn)行比較，如圖 321 所示。 10000 12020 14000 16000 18000 202000 .0 0 50 .0 0 60 .0 0 70 .0 0 80 .0 0 90 .0 1ReDc sm ooth w av y 計(jì)算值 herring bone w av y 計(jì)算值 j/f 圖 312 兩種 翅片形式 j/f 比較 由圖 312 可知，光滑波 紋翅片的 j/f 顯然大于人之形波紋翅片的 j/f， 光滑波紋翅片的換熱性能盡管稍微減小，但是卻可以較大程度減小壓降， 這和文獻(xiàn) [3]的比較結(jié)果是一致的，表明了光滑波紋翅片是一種性能優(yōu)異的波紋翅片形式。 管排的影響 不同管排光滑波紋翅片管翅式換熱器流動(dòng)換熱性能計(jì)算結(jié)果如 圖 313 和 圖 314所示。由 圖 313 和 圖 314 可以看出，隨著管排數(shù)的增加， Nu 數(shù)和 f 因子均減小，當(dāng)管排數(shù)大于 4 以后，翅片的 Nu 數(shù)和 f 因子都相差很小，這表明當(dāng)管排數(shù)大于 4 排以后，翅片表面的換熱與阻力性能幾乎不受管排數(shù)的影響。 西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 26 5 6 7 8 920406080100Nuvfr / m /s n =1 n =2 n =3 n =4 n =5 n =6 圖 313 管排 對(duì)波紋翅片換熱性能的影響 5 6 7 8 90 .30 .40 .50 .60 .70 .8vfr / m /sf n =1 n =2 n =3 n =4 n =5 n =6 圖 314 管排 對(duì)波紋翅片 阻力 性能的影響 翅片間距 的影響 本節(jié)對(duì) 3 種不同的翅片間距進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，翅片間距 Fp 分別為 、 和 ， 計(jì)算模型采用的換熱器其他幾何參數(shù) 如表 36 所示。 表 36 波紋翅片 管翅式換熱器 幾何形狀 翅片形式 N d2/mm δf /mm Pt /mm Pl /mm Xf /mm Pd /mm 光滑形 4 5 6 7 8 93035404550vfr / m /sNu Fp=2. 1m m Fp=2. 3m m Fp=2. 5m m 西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 27 圖 315 翅片間距 對(duì)換熱性能的影響 5 6 7 8 90 .20 .30 .40 .50 .60 .70 .8 Fp=2. 1m m Fp=2. 3m m Fp=2. 5m mvfr / m /sf 圖 316 翅片間距 對(duì) 阻力 性能的影響 不同翅片間距對(duì)換熱與阻力影響如圖 315 和圖 316 所示。從圖中可以看出，隨著翅片間距的增大， Nu 數(shù)和 f 因子均減小。這就是說(shuō)，隨著翅片間距的減小，換熱及阻力均增加。 分析原因；因?yàn)槌崞g距變小，相當(dāng)于通道高度變窄，上下兩翅片壁面處的溫度梯度變大，使得換熱增強(qiáng)。翅片 間距變小，翅片通道速度變大，阻力也就增加。 從另外一個(gè)角度來(lái)看，當(dāng)固定一個(gè)換熱器芯體的體積時(shí)，采用小的翅片間距可以加裝更多的翅片數(shù)目，增加換熱面積，從而增加換熱器的緊湊度。因此，當(dāng)追求更加緊湊的換熱器時(shí)，可以考慮采用小的翅片間距，但需要考慮阻力的增加。 波峰到波谷投射長(zhǎng)度的影響 本節(jié)對(duì) 3 種不同的 波峰到波谷投射長(zhǎng)度 進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算， 波峰到波谷投射長(zhǎng)度Xf分別為 、 和 ， 計(jì)算模型采用的換熱器其他幾何參數(shù) 如表 37所示。 表 37 波紋翅片 管翅式換熱器 幾何形狀 翅片形式 N d2/mm δf /mm Pt /mm Pl /mm Fp /mm Pd /mm 光滑形 4 西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 28 5 6 7 8 93035404550 Xf=2. 75m m Xf=4. 125m m Xf=8. 25m mvfr / m /sNu 圖 317 波峰到波谷投射長(zhǎng)度對(duì)換熱性能的影響 5 6 7 8 90 .10 .20 .30 .40 .50 .60 .70 .8 Xf=2. 75m m Xf=4. 125m m Xf=8. 25m mvfr / m /sf 圖 318 波峰到波谷投射長(zhǎng)度對(duì) 阻力 性能的影響 不同 波峰到波谷投射長(zhǎng)度 對(duì)換熱與阻力影響如圖 317 和圖 318 所示。從圖中可以看出，隨著 波峰到波谷投射長(zhǎng)度 的增大， Nu 數(shù)和 f 因子均減小。也就是說(shuō)，隨著波峰到波谷投射長(zhǎng)度 的減小，換熱及阻力均增加。 分析原因；因?yàn)?波峰到波谷投射長(zhǎng)度 變小，相當(dāng)于在翅片長(zhǎng)度不變的情況下，翅片波紋的數(shù)目增大。這樣 流體在波紋翅片通道中流動(dòng)時(shí)，由于 波紋的數(shù)目增大導(dǎo)致流體流向的改變次數(shù)增多， 更頻繁的產(chǎn)生二次流及邊界層分離，從而使傳熱效果得以增強(qiáng)，同樣由于 流體流向的改變次數(shù)增多，流動(dòng)阻力也隨之增大。 波峰到波谷高度的影響 本節(jié)對(duì) 3 種不同的 波峰到波谷高度 進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算， 波峰到波谷高度 Pd 分別為、 和 ， 計(jì)算模型采用的換熱器其他幾何參數(shù) 如表 38 所示。 表 38 波紋翅片 管翅式換熱器 幾何形狀 翅片形式 N d2/mm δf /mm Pt /mm Pl /mm Fp /mm Xf /mm 光滑形 4 西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 29 5 6 7 8 93035404550vfr / m /sNu Pd=1. 3m m Pd=1. 5m m Pd=1. 7m m 圖 319 波峰到波谷 高度 對(duì)換熱性能的影響 5 6 7 8 90 .20 .30 .40 .50 .60 .70 .8 Pd=1. 3m m Pd=1. 5m m Pd=1. 7m mvfr / m /sf 圖 320 波峰到波谷 高度 對(duì) 阻力 性能的影響 不同 波峰到波谷 高度 對(duì)換熱與阻力影響如圖 328 和圖 329 所示。從圖中可以看出，隨著 波峰到波谷 高度 的增 大， Nu 數(shù)和 f 因子均增大。也就是說(shuō)，隨著 波峰到波谷 高度 的增大，換熱及阻力均增加。 分析原因；因?yàn)?波峰到波谷 高度 變大，相當(dāng)于在翅片間距不變的情況下，流體在通道內(nèi)流動(dòng)距離增大 ，流動(dòng)時(shí)間增多，從而使傳熱效果得以增強(qiáng)，同樣由于 流體流動(dòng)距離增多，流動(dòng)阻力也隨之增大。 西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文