【正文】 西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文 30
。也就是說，隨著 波峰到波谷 高度 的增大，換熱及阻力均增加。 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 阻力 性能的影響 不同 波峰到波谷 高度 對換熱與阻力影響如圖 328 和圖 329 所示。這樣 流體在波紋翅片通道中流動時，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，同樣由于 流體流向的改變次數(shù)增多，流動阻力也隨之增大。也就是說，隨著波峰到波谷投射長度 的減小，換熱及阻力均增加。 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 波峰到波谷投射長度對換熱性能的影響 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 波峰到波谷投射長度對 阻力 性能的影響 不同 波峰到波谷投射長度 對換熱與阻力影響如圖 317 和圖 318 所示。因此，當(dāng)追求更加緊湊的換熱器時，可以考慮采用小的翅片間距，但需要考慮阻力的增加。翅片 間距變小，翅片通道速度變大，阻力也就增加。這就是說，隨著翅片間距的減小，換熱及阻力均增加。 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)計論文 27 圖 315 翅片間距 對換熱性能的影響 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 阻力 性能的影響 不同翅片間距對換熱與阻力影響如圖 315 和圖 316 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。 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 計算值 herring bone w av y 計算值 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。 5 6 7 8 93035404550 sm ooth w av y 計算值 herring bone w av y 計算值vfr / m /sNu 圖 38 翅片形式對波紋翅片換熱性能的影響 5 6 7 8 93004005006007008009001000 sm ooth w av y 計算值 herring bone w av y 計算值vfr / m /s?p / Pa 圖 39 翅片形式對波紋翅片 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 計算值 herring bone w av y 計算值 西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文 25 圖 310 翅片形式對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 計算值 herring bone w av y 計算值 圖 311 翅片形式對波紋翅片阻力性能的影響 強化換熱的同時往往伴隨著壓降增加，評價一種傳熱強化方式的優(yōu)劣是研究傳熱強化方法中的一個重要問題。 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)計論文 24 光滑形 6 人之形 6 計算結(jié)果如圖 38～圖 311 所示。 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)通過數(shù)值計算方法 來考察波紋翅片形狀對流動換熱的影響， 管子的材料為白銅，翅片的材料為鋁合金 。 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)格無關(guān)性考核 幾何參數(shù)對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、 波峰到波谷投射長度 Xf和波峰到波谷高度 Pd 等。 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)格的情況下的計算結(jié)果。由于計算區(qū)域中同時存在著固體導(dǎo)熱和氣體對流換熱，故采用氣固耦合計算模型，在這里耦合計算是指在計算中將氣體和固體區(qū)域作為一個整體全場求解，固體和氣體的交界面稱為耦合面。 上下邊界：延長區(qū)假定對稱邊界條件， 0?????? zvzu ， 0?w ， 0???zT ，翅片區(qū)對速度為固體邊界條件 0??? wvu ，對溫度為對稱邊界條件 0???zT 。 前后邊界：除管子外為對稱邊界條件， 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。計算 區(qū)域（圖 36）的各邊界條件如下 進(jìn)口：假定進(jìn)口速度為均勻來流， 常數(shù)?u ， 0??wv ； 進(jìn)口溫度為均勻溫度， 常數(shù)?inT 。 圖 36 為計算區(qū)域部分翅片 和基管 的網(wǎng)格劃分。圖 35 所示為光滑波紋翅片的計算區(qū)域示意圖， x 為主流方向的坐標(biāo)軸， y 為垂直主流方向的坐標(biāo)軸， z 為翅片高度方向的坐標(biāo)軸。為了在進(jìn)口處采用速度均勻的條件和避免出口有回流現(xiàn)象， 在空氣流動方向，入口延長 倍的翅片長度，出口延長 5 倍的翅片長度。 圖 32 管翅式換熱器 西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文 20 (a) 圓翅分離式 (b) 平直連續(xù)式 圖 33 管翅式換熱器芯體示意圖 物理模型 與 數(shù)學(xué)描述 相比較人之形波紋翅片，光滑波紋翅片的換熱性能稍微減小，但是卻可以較大程度減小壓 降， 本節(jié)研究對象主要為 光滑波紋翅片管翅式換熱器 ，換熱器 基管 的材料為白銅，翅片的材料為鋁合金 。氣流橫掠翅片管束，翅片與來流進(jìn)行強制對流換熱。 換熱器的傳熱過程為：熱量由管外熱空氣通過翅片和管外壁 導(dǎo)熱傳給管內(nèi)壁，再以管內(nèi)流動的冷卻水以對流的形式將熱量帶走。雖然對管翅式換熱器表面強化換熱和阻力特性的有關(guān)實驗研究已有大量的文獻(xiàn)報告，但由于實驗研究費時較長而且價格昂貴，因此，近十余年來數(shù)值模擬的方法得到越來越多的應(yīng)用。圖 33 給出了一種管翅式換熱器的結(jié)構(gòu)示意圖，其中 (a)為圓形翅片管翅式換熱器，也可稱為分離式管翅式換熱器， (b)為平直連續(xù)翅片管翅式換 熱器，平直翅片可用波紋翅片、開縫翅片和百葉窗翅片等所代替，它由管束和垂直管束的翅片組成。 管翅式換熱器是 由等間距且相互平行的強化翅片和與翅片垂直并按一定規(guī)律排列的管束組成。 表 31 光滑波紋翅片 管翅式 換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù) 結(jié)構(gòu)名稱 符號 數(shù)值 圓管外徑 (mm) do 管壁厚度 (mm) δt 翅片厚度 (mm) δf 翅片間距 (mm) Fp 橫向間距 (mm) Pt 縱向間距 (mm) Pl 33 波峰到波谷投射長度 (mm) Xf 波峰到波谷高 度 (mm) Pd 管排 N 6 。 圖 31 為波紋翅片結(jié)構(gòu)示意圖 。m1m1 西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文 18 第三章 波紋翅片管換熱器流動換熱性能數(shù)值研究 本文研究的波紋翅片 管內(nèi)流體為水，翅片側(cè)流體為熱空氣 。 實驗測量方法是研究流動與傳熱問題的最基本的方法，它所得到的實驗結(jié)果是真實可信的，它是理論分析和數(shù)值 方法的基礎(chǔ)，一方面補充現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)模型試驗數(shù)據(jù)庫，另一方面為工程設(shè)計人員提供新的技術(shù)支持，同時還可以與數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行對比來改進(jìn)試驗設(shè)計，因而其重要性不容低估。 理論分析方法的優(yōu)點在于所得結(jié)果具有普遍性，各種影響因素清晰可見，可以為檢驗數(shù)值計算結(jié)果的準(zhǔn)確度提供擬合參照的依據(jù)，是指導(dǎo)實驗研究和驗證新的數(shù)值計算方法的理論基礎(chǔ)。因為結(jié)果的準(zhǔn)確度是由數(shù)學(xué)模型的精度和數(shù)值方法共同決定，因此數(shù)學(xué)模型和計算方法必須都具有良好的完善性，而且對于十分復(fù) 雜的問題，數(shù)值解目前也很難獲得。人們有時為了研究一種基本的物理現(xiàn)象，希望實現(xiàn)若干理想化的條件，例如：常物性、絕熱條件、流動充分發(fā)展等等，在數(shù)值計算中很容易實現(xiàn)這樣的一些條件和要求，而在實驗中卻很難近似到這種理想化的條件。與實驗的情況不同，在計算中幾乎 沒有不能達(dá)到的位置。對一個問題進(jìn)行數(shù)值求解可以得到詳盡而完備的數(shù)據(jù)。一個設(shè)計者能夠在一天之內(nèi)研究出多種方案，并從中選擇最佳的設(shè)計，而相應(yīng)的實驗研究卻需要很長的時間。 (2) 研究周期短。在大多數(shù) 實際應(yīng)用中，計算機運算的成本要比相應(yīng)的實驗研究的成本低好幾個數(shù)量級。與實驗研究相比，數(shù)值解法具有以下一些優(yōu)點： (1) 經(jīng)濟性好。 由于翅片管結(jié)構(gòu)及各種工況因素對換熱效果的影響十分復(fù)雜，以解析方法及實驗方法為主要研究方法都不能滿足研究的需要，而且隨著計算機工業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，計算傳熱學(xué)與計算流體動力學(xué)發(fā)揮著越來越重要的作用。數(shù)值傳熱學(xué)求解問題的基本思想是：把原來在空間與時間坐標(biāo)中連續(xù)的物理量的場（如速度場、溫度場、濃度場等），用一系列有限個離散點（稱為節(jié)點， node）上的值的集合來代替，通過一定的原則建立起這些離散點上變量值之間關(guān)系的代數(shù)方程