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涟漪翅片的传热与流动特征研究解析
涟漪翅片的传热与流动特征研究解析
西安石油大学本科毕业设计论文
涟漪翅片的传热与流动特点研究
大纲;近些年来能源与环境问题日益加剧,保护环境、降低能源耗资成为现在世界的
主题,所以各行业的学者都肩负减少能耗的重任。板翅式换热器是在20世纪问世的,
由于其在节约能源与资料方面的优越性,现在在石油化工、能源动力、冶金、制冷、
航天等各领域已经获取了宽泛的应用。翅片管换热器在制冷、空调等领域宽泛应用。
涟漪翅片是这种紧凑式换热器的翅片种类中的一种,它增加了传热面积和扰流的程
度,对换热器的性能有很大的提升。
本文应用FLUENT软件针对涟漪翅片管换热器空气侧换热进行数值模拟。并研
究Re数、管排数和管径等参数对空气侧传热和流动特点的影响。同时对不同样尺寸的
涟漪翅片进行了数值模拟解析并计算出各个模型的换热因子j和阻力因子f,依照他们的数值判断翅片在该模型下的性能优略。最后观察了涟漪形式、管排、翅片间距、波峰到波谷投射长度和波峰到波谷高度对流动换热性能的影响。
要点词:涟漪翅片;数值模拟;换热因子;阻力因子;换热性能
西安石油大学本科毕业设计论文
studyonheattransferandflowofwavyfins
Abstract;Inrecentyears,energyandenvironmentalissuesincrease,-finheatexchangerappearsinthe20thcentury,,EnergyandPower,metallurgy,Refrigeration,aerospace,-and-tubeheatexchangeriswidelyusedinrefrigeration,,andimprovestheperformanceoftheheatexchangergreatly.
Inthispaper,FLUENTisusedtosimulatethewavyfin-and-tubeheatexchanger,.Basedontheseresults,theeffectsofReynoldsnumber,tuberownumber,,Ihavecarriedoutthenumericalsimulationanalysisondifferentgeometricdimensionsofthewavyfins,,examinethecorrugatedformoftuberows,finspacing,theprojectedlengthofthecresttotroughandcresttotroughheighteffectsonflowandheattransferperformance.
Keywords;wavyfins;numericalsimulation;heattransferfactor;resistancefactor;heattransferperformance
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目录
第一章
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1
研究背景及意⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
1
波翅片的特点和用合⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
2
研究状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
2
本文的研究工作⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
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第二章
数模型的成立与算方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
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概⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
8
波翅片管器物理模型立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
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相关参数的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
9
物理模型的界条件及初始条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
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利用数算方法介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
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CFD介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
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fluent件归纳及GABBIT
介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
14
翅片管化的数解法
⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
16
第三章
数算的果与数据解析
⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
19
圆滑波翅片管翅式器
⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
19
6排管圆滑波翅片管翅式器数算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
20
几何参数波翅片管翅式器的阻力性能的影响⋯⋯⋯⋯⋯24
⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
31
参照文件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
31
致
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涟漪翅片的传热与流动特征研究解析
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第一章绪论
板翅式换热器是在20世纪问世的,由于其在节约能源与资料方面的优越性以及拥有体积小,重量轻、效率高等突出长处,现在在石油化工、能源动力、冶金、制冷、
航空航天、原子能和机械等各领域已经获取了宽泛的应用。并在利用热能、回收余热、节约原料、。涟漪翅片是板翅式紧凑换热器中的一种常有的翅片种类,它在增加传热面积和加强扰流方面有很好的表现。
换热器在动力、能源、化工等工业领域中拥有重要的地位。统计显示,在现代化
学工业中,换热器投资本额占设备投资的30%,炼油厂占40%[1]左右,海水淡化设备中占比率更高。所以,换热器的换热性能与公业业发展关系亲近。由于工业领域对换热器
设备的不断需求与目前生界范围内能源紧缺之间的矛盾不断恶化,使加强传热技术在
工业领域起重视要的作用。它在上世纪八十年代发展起来,到目前为止,世界各国都在
深入传热技术上不断深入研究。其标是达到在最节约能源的前提下获取很多的能量,
保障设备的有效运行。所以,加强换热技术已经成为现在科学领域中的研究热点。
翅片管的长处:
(1)结构紧凑。由于单位体枳传热而加大,传热能力增大,同样热负荷下与光管对照,翅片管换热器管子少,因面结构紧凑,便于部署。
(2)传热能力强。与光管对照,传热面积增大2-30倍,传热系数提升。
(3)有效合理利用资料。能够利用不同样资料的特点,自由采用资料。
(4)减少结垢。传热左比光管小,便于减少管表面面结垢。别的,'翅片管受热冷却
后,翅片根部垢层断裂,自行零散。翅片管的缺点:
造价高,流动阻力大。所以应适当选择造型,降低能量耗资。
本文主要研究的翅片管换热器,它在动力、制冷、空调等工业领域宽泛采用。制
冷剂或水在管内流动,管外翅片间通道内流过空气,经过翅片、管壁与管内的制冷剂或
水进行热量交换。由于空气的导热系数相对较小,故翅片管换热器的主要热阻位于空
气侧,所以,加强空气侧换热收效是提升换热器整体换热性能的有效手段。
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涟漪翅片的纵向呈涟漪状,流体在其中流动时,流向就会不断地改变以促使湍流形成,,达到加强传热收效的目的。涟漪越密,波幅越大,其加强收效也越大。
但同时带来的问题是流动阻力也会很大,对资料的强度是一个挑战,所以不能够无量制地增大波幅和涟漪密度,应该使两者都尽量合刚刚是最好的。另一方面,涟漪翅片对照平直翅片来说,换热面积也增大了很多,这也是它加强换热的一个原因。但是资料耗资比平直翅片大,但是跟它带来的换热收效对照,这点耗资也是相当值得的。
和平直翅片对照,涟漪翅片的拥有更好的换热性能和流动特点,所以涟漪翅片
在各样加强换热场合中的应用比较宽泛,也是研究关注的热点之一。涟漪翅片最主要
的用途是用于板翅式换热器,能够加强换热器换热收效。
1973年,Rich[2]实验研究14种不同样结构平翅片,结果表示,在其研究范文内,,翅片
[3]
间距不影响传热效率,单根管子的压降和管排数没关。1974年,Saboya等首次在复杂
的单排平翅片管换热器的翅片侧利用实验定量计算局部传热系数,总结出翅片表面局部Sh数的分布;得出翅片管上游的局部换热系数较高,下游的局部换热系数较低。1978
年,McQuiston[4]得出特定结构参数下的翅片换热及压降关系式。此后Xu[5]模拟研究空调单元中蒸发器的湍流流动。利用热线风速仪技术获取平均速度值和流动的湍流参数,
由于凝结物的影响,实验结果会有流动搅乱;运用U-e瑞流模型榄拟空调单元空气流
动,获取的结架十分正确,再加上QUICK方法获取的平均速度供应了更加正确的结
果。别的,混杂网格能快速达到收敛,并很好与实验结架达到一致。1995年,Bakui等[6]
利用有限体积法模拟横内的导热、对流和福射换热。诚然福射换热总换热量的30%,
但不考虑福射换热但不会影响结果的精确度。1996年,RammohanRao等[7]实验研究水
平翅片自然对流和福射换热的关系。借助干涉仪和数侦微分方获取对流换热量和福射
换热量,并获取Nu和Re的关系式。1998年,Abumadi等[8]人提出先人获取的换热及
压降关系式对结构参数耍求过十限制,对28种不同样结构参数的翅片管换热器进行实验,
风速范围内为l-20m/s,解析管排数、翅片的厚度、翅片间距以及管排间距等参数对换
热因子与摩擦因子的影响。实验表示:翅片种类影响换热因子和摩擦因子,管排数对阻
力系数几乎无影响;翅片厚度越小,传热性能越好。同年,Meyer[9]采用实验研究了空气
的入口尺寸和出口速度分布都影响换热器的空气流动特点。Atkinson等[10]对百页窗形
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式的翅片管换热器用Star-CD进行了二维与二维数值模拟。1999年,Wang等[11]提出,
经过增加翅片密度并促使流体瑞流,能够增加紧凑型气-气换热器:::侧流体的换热面
积。增加翅片密度形式多样,比方平翅片、条缝翅片、西叶窗翅片等等。该作者在原
有气换热器基础上,用三种方法增加条缝翅片,做大量实验检测换热器性能,实验结果
表示:换热系数和压降值随翅片密度的增加相应增大。2000年,Roniero-Mendez[12]经过
流动可视化模拟计算观察单排翅片管换热器管外侧翅片间距对换热性能的影响。利用
局部Nu数表示翅片表面对流换热分布,结果表示,在涡流地址Nu数达到巅峰值,在管尾部地域Nu数很小。2001年,Meyer[13]又对翅片管换热器的入口处中气流动损失进行
实验研究,发现入口交气流动损失量与经过换热器的中气平均速度没关,而与入口处空
气和入口的倾斜角相关;利用实验结果总结出无量纲压降报尖系数。在文件[14]中,作
者对9种结构不的双金属螺旋翅符进行了传热和阻力性能的解析。水在管内流动,交
气垂直流向管子,为获取传热系数采用NTU法,给出了气侧压降关于几何参数的关系
式。结来表示,空气侧的传热系数比文件中关系式大20%左右,;空气被冷却获取的换热系数比空气被加热获取的换热系数大。2005年,Kim等[15]对拥有大尺寸翅片问距的9翅片符换热器进行了实验研究。测试了22个换热器,它们的翅片问距、管排数、管排列形式等结构参数不同样。研究发现,翅片TllMi降低,管排数培加,其他结构参数不变的状况下,空气侧换热系数降低:针对不同样排管的换热器,以管外径为均最进径,Re数变化范围从500到900,,空气侧换热系数会降低大体10%;同翅片间距状况下,管排数从1增加到4,换热系数会逐渐降低;与顺排换热器对照,叉排换热器提升了换热性能。2007年,Sahin等[16]三维数值模拟研究平翅片管换热器进吵嘴度和换热特点的关系。2009年,Naphon[17]值模拟研究涟漪片结构参数对温度和流动分的影响。得出在热流条件状况下,流体流过涟漪片,不断破坏热界线条件:涟漪夹角的大小影响换量。所以,V型涟漪片是加强换热和加强换热器亲近性的好方法。2010
年,Choi[18]等对34个不同样结构尺寸的换热器进行实验研究,得出结论:不连续的翅片换热器的j因子方程式与式结构尺相关,,不
%-%。2010
印,BoiTajo-Pelaez等[19]对平翅片管空气侧换热特点模拟。以前对空气侧换热特点的模拟可是解析换热器空气侧,而把翅片与管壁温度设为定值。该作者模拟的目的是证明
只考虑空气侧的状况与同时考虑空气与水侧流动特点的状况存在不同样,从数、翅片间
距、管径尺寸、翅片长度和翅片厚度等几个方面谈论,得出换热值更加精确,更好的展望换热性能,该文章的模拟收效更凑近实质状况。2011年,八Aris[20]提出,空气逼迫对流散热管冷却系统在电力电子设备(比方微办理器和IGBT)中扮演着卒要的角色。由于设备运行中热量消失增加,需要研究新方法提升冷凝器的换热性能。作者研究了在翅
片表面开厂角翼办理,这一设计形成的纵向祸流促使冷热流体的混杂,加强了换热。
2012年,AslamBhutta[21]总结CFD在换热器研究领域的应用以及实现模拟效染所使)U
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的算法。经过先人的模拟结果可知CTD软件是显现换热器性能的有效工具。
数值模拟的基础是数值传热学,数值传热学是指对描述流动与传热问题的控制
方程采用数值方法,经过计算机求解的一门传热学与数值方法相结合的交叉学科。数值传热学的基本思想是把原来在空间与时间坐标中连续的物理量的场(比方速度场,
温度场,浓度场等),用一系列有限个失散点上的值的会集来代替,经过必然的原则成立起这些失散点变量值之间关系的代数方程(称为失散方程)。求解所成立起来的代数方程进而获取求解变量的近似值。数值模拟研究方法主要集中在下边两个方面:
(1)几何参数对换热及流动的影响;
(2)雷诺数Re对换热及流动的影响。
经过数值模拟能够获取整个流场的基本信息,再经过计算获取想要的性能参数
(如Nu、压差p、换热因子j、阻力因子f等等),对这些数据进行比较观察,得
到所要结果。
王先超、水破晓[22]等人,经过对涟漪翅片数值模拟的解析,得出了影响涟漪翅片
换热因子j和阻力因子f的因素,同时把不同样雷诺数Re下的涟漪翅片与矩形翅片(即
平直翅片)、矩形开缝翅片(平直翅片开缝获取)进行了解析比较。结果发现:翅片
厚度对涟漪翅片的换热因子
j和阻力因子f影响不大,但翅片间距sf对涟漪翅片的阻
力因子f影响较大;雷诺数
Re在400~2000范围内时,涟漪翅片的换热因子
j是
同雷诺数下矩形翅片的2~28倍之间,阻力因子f是同雷诺数下矩形翅片的
28~4
倍;雷诺数在2000~10000
范围内,涟漪翅片的换热因子j
是同雷诺数下矩形翅片的
2~28倍之间,阻力因子f是同雷诺数下矩形翅片的35~4
倍;涟漪翅片与矩形开缝
翅片的阻力因子j
随雷诺数的变化很小,两者特别凑近。
李媛[23]等人以
3种常有的翅片种类(平直翅片、锯齿翅片、涟漪翅片)为研究对
象,利用标准k-ε双方程湍流模型求解三维
Navier-Stokes方程,采用计算流体动力学
(CFD)方法模拟和解析了板翅式换热器单通道中,不同样结构参数和操作参数对翅片表
面换热与流动的影响,并将不同样实验参数下的数据制作成曲线图表,发现3种翅片的
换热因子j和阻力因子f随雷诺数Re的增大而递减,这与他们的实验[24]得出的结
论是一致的,这就说了然:将数值模拟方法应用于翅片表面换热和流动特点研究是可
行的。此后进一步解析了涟漪翅片的波幅与翅片间距对其表面换热与流动性能的影响
规律,结果发现:涟漪翅片的波幅越大、翅片间距越大,换热因子j越大,即传热效
果越好。
最后把3种翅片在同样操作条件下的j因子和f因子进行比较发现:锯齿翅片和
涟漪翅片的传热性能优于平直翅片,说明改进换热器换热表面的几何形状对板翅式
换热器的性能影响至关重要。
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王维斌、傅宪辉、吴茂刚[25]等人以波浪形翅片和人字形翅片为研究对象,在合理
简化条件下给出了物理模型和数学模型,经过对不同样入口风速下翅片通道的换热和流
动特点进行了数值模拟研究。经过对传热系数,Nu数,压降以及涡量分布的比较解析,
结果表示:涟漪翅片改变了流体的流向,增加了换热面积,加强了流体扰动,由于旋涡的
也增大了阻力损失,但是换热增加的幅度要大于阻力增加的幅度。随着风速的增加,翅片表面的换热系数、Nu数以及压降也随之增加。在同样的模拟条件下,人字形翅片的换热性能高于波浪形翅片,但是阻力损失却相差不大,波浪形翅片在减少流动损失方面没有很大的优势。两者流动与传热特点的差别,主若是由于翅片流场中旋涡的形成与零散存在差别。
黄小辉、毕小平[26]等人经过成立一个板翅式机油散热器冷却空气侧涟漪翅片通道
的稳态湍流数学模型。作者以涟漪形翅片表面为研究对象,利用Fluent软件,入口条
件设置为流量入口,出口条件为压力出口,翅片表面和隔板设置为壁面,并在出入口
处分别设置延伸段来使流场充分发展。采用标准k-ε湍流模型和SIMPLE算法求解
三维Navier-Stokes方程,模拟和解析了板翅式散热器双通道不同样参数对翅片表面传热
力系数与平均流速的拟合函数,计算结果与实验数据基本切合,更进一步说明CFD
方法的可行性。
总之,可供使用的多种翅形j因子和f因子数据已有很多,,应用计算流体力学(CFD),流动可视化技术和模拟测试来研究翅片换热和流动的实质,并成立j因子和f因子数据库将是今后十分重要的工作。
从上述的文件综述可看出,大量学者对翅片管换热器的换热特点进行研究并获取了必然的成就,但还存在以下儿个问题:
(1)目前对平翅片?管换热器的流动与换热特点研究得比很多,对涟漪翅片管换热器的研究还不够完满,也许说针对涟漪翅片管换热器的换热机理研究不够;
(2)多数文件中针对管排数较少的翅片管换热器研究,而对多管排形式下的翅片管换热器研究较少;
(3)目前对涟漪翅片管换热器表面的流动与换热特点的研究主要集屮在实验研究方面,由于其结构的复杂性,数值模拟工作张开的较少。但是实验只在必然范围内对换
热及肌力特点进行研究,获取拥有很大限制性的经验关系式,关于多管排形式下的换热
器中各管地域的换热特点不能够进行认真的研究。
20世纪60年代以前,一般的翅片管式换热器多采用表面结构未做任何办理的平
翅片,这种形式的翅片除增大换热面积来达到加强传热的收效以外,再无其他加强传
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热作用。
直至目前,这一方法仍是所有各样管式换热面加强传热方法中运用的最为宽泛的一种。翅片管式换热器是人们在改进管式换热面的过程中最早也是最成功地发现之一。它不但适用于单相流体的流动,而且对相变换热也有很大的价值。
经过调整换热器的翅片间距,设计成为变翅片间距,实现结构优化,并对其换热性能与改进前换热器进行比较计算,提升了换热器的传热系数。本方法适用于将该换热器用于低温制冷系统中的蒸发器。当气流经过蒸发器时,由于空气中的水蒸气不断地在翅片管表面聚积,空气由于除湿作用相对湿度降低,沿气流方向翅片盘管表面结霜量是递减的,若是采用变片距结构,能够在结霜条件下保持其较高的传热效率,并延伸其冲霜时间。当蒸发器采用变翅片间距结构时,实质上已组成了翅片的错列分布,当空气横掠错列翅片晌,翅片的交叉分布使得上游翅片对下游翅片有绕流作用,由于前面翅片的绕流,翅片的前半部分换热加强,后边的翅片的分布又使得流道变窄,流速提升,翅片后半部分的换热也获取加强。
经过变翅片间距的结构改进,冷风机在外形尺寸即高度、宽度和管总长度不变的前提下,在结霜工况下运行时仍可保持较高的传热系数,%,且传热面积有所提升,经过提升传热系数和传热面积进而达到加强传热的目的。
加强管内流体流动,管内壁加工变螺距内螺纹。在不增大整体设备尺寸的前提下,增加其内表面换热面积,加强管内流体的扰动,在原有换热器的管内壁上加工变螺距内螺纹。当管内工质换热系数较大而管外工质换热系数较小时,管外的对流传热热阻将成为传热的主要阻力。采用扩展表面,关于减小换热器体积,提升换热器效率有很重要的作用。目前,已经开发出了针状翅片、涟漪翅片、百页窗翅片、三角形翅片、单面开槽条形片、裂齿矩形翅片等等。
管内表面积的增大主要集中在异型管的开发方面,综观各样不同样形状的加强管,
其共同特点是在兼顾压降的同时,传热面积都有不同样程度的增加,并经过两种机理提
高其传热系数进行加强换热。传热界线层是限制传热系数提升的最主要因素,它产生
于凑近管壁的层流基层,并有一个逐渐增厚的过程。管壁的粗糙以及规则出现的沟槽、
凸肋,会破坏贴壁层流状态,控制界线层的发展。同时沟槽和凸肋对流体的限流作用
有助于界线层的减薄,而绕流作用使流体产生轴向旋涡,能够致界线层分别,流体主
体径向温度梯度减小,有助于热量传达的进行。
在已加工好的管壁内部加工变螺距内螺纹,不仅能够扩大管子的内表面积,增加传热面积,而且由于管子不再是光管,内部有螺纹所之内壁变得粗糙,能够破坏层流界线层,使管内的制冷剂的流态变成紊流,进而提升管内对流换热系数。同时,由于
采用变螺距,沿着流体流动方向螺距从大变小,这样可加强流体的扰动,加强流体的换热系数。
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综上所述,影响翅片的换热及阻力特点因素众多,翅片管式换热器在制冷与空调系统中应用特别宽泛。作为其中的要点部件,换热器的性能与效率关于整个系统的影响就显得特别重要。针对上述课题的意义、翅片管式换热器的换热特点及国内外在实验与数值模拟方面发展状况的解析,,得出涟漪
翅片管式换热器管排横纵向间距、翅片间距、管排数和Re数等因素对换热与阻力特点的影响,以此为工业上平直翅片表面换热设备的选择供应参照依照。最后观察了涟漪形式、管排、翅片间距、波峰到波谷投射长度和波峰到波谷高度对流动换热性能的影响。
详尽内容以下:
假设流动为三维、稳态的层流流动,翅片管管壁面温度恒定,且以为流动与
换热在经过入口延伸区后均已进入周期性充分发展阶段,成立涟漪翅片通道内一个周期中的流动与换热控制方程数学模型。
依照设备中常有的整体式涟漪翅片管尺寸结构采用几何模型,并使用
GAMBIT软件对计算地域全流场及翅片内部导热地域进行六面体网格划分,管子周围及流体近翅片地域采用界线层加密办理。采用的流体工质为常物性的空气。
依据有限容积法的二阶迎风格式(SecondOrderUpwind)对计算地域进行失散化,对失散后的控制方程设置界线条件和初始条件,并采用标准的SIMPLE算法和牢固的层流模型来求解压力速度耦合问题,关于翅片表面温度分布,采用翅片导热与流体对流换热耦合求解。
数值计算平直翅片管在层流、恒壁温条件下的换热特点与流动阻力,模拟得出流场各参数分布,解析来流速度及管排数、管间距、翅片间距等几何结构参数与努
赛尔数Nu和流动压降△P的关系,并得出其对平直翅片管换热因子j、阻力系数f及综合性能参数j/f的影响。
对计算结果利用EXCEL、TECPLOT软件进行后办理,并对数据解析,得出结论,为工业应用上涟漪翅片管结构的设计和改进、优化解析供应理论依照。
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