三角扰流蛇形翅片管流动换热特性数值研究

第53卷第2期2011年4月汽轮机技术TURBINETECHNOL0GYV0153NO2APR2011三角扰流蛇形翅片管流动换热特性数值研究李书营，陈梅倩，杨飞，董瑞，周敬博1郑州铁路职业技术学院机车车辆系郑州I450003；2北京交通大学机械与电子控制工程学院，北京100044摘要蛇形翅片管作为空冷凝汽器基本换热面，其流动与换热性能对空冷电站经济性有着重要影响，基于此，对三角扰流蛇形翅片管的气侧换热及流动特性进行了数值研究，分析了流体温度、压力沿流程方向的变化规律以及迎面风速、扰流三角个数、扰流三角尺寸等因素对蛇形翅片管换热及流动性能的影响，结果表明三角扰流部位局部阻力是沿程阻力的2570，扰流三角对换热有明显的促进作用，换热系数最大提高37。本研究可为蛇形翅片管的设计及优化提供理论参考。关键词直接空冷；蛇形翅片；换热与流动；数值模拟分类号TK172文献标识码A文章编号100158842011024115434NUMERICALINVESTIGATIONSONTHEHEATTRANSFERANDFLUIDFLOWOFTRIANGLEWAVEFINNEDTUBELISHUYING，CHENMEIQIAN，YANGFEI，DONGRUI，ZHOUJINGB01ZHENGZHOURAILWAYVOCATIONALTECHNICALCOLLEGE，ZHENGZHOU450003，CHINA；2BEIJINGJIAOTONGUNIVERSITY，BEIJING100044，CHINAABSTRACTWAVEFINTUBES，WORKEDASANIMPORTANTPARTOFAIRCOOLEDCONDENSER，INFLUENCETHEECONOMICOFPOWERPLANTMUCHTHEAIRSIDEHEATTRANSFERANDFLUIDFLOWOFTRIANGLEWAVEFINNEDTUBEHAVEBEENINVESTIGATEDNUMERICALLYVARIATIONSOFTEMPERATUREANDPRESSUREALONGFLOWDIRECTIONAREANALYZEDTHEWINDFLOWVELOCITY，DIMENSIONANDSUMOFTRIANGLEWHICHINFLUENCETHEHEATTRANSFERANDFLUIDFLOWOFFINNEDTUBEAREANALYZEDTHERESULTSHOWTHATPARTIALPRESSUREDROPIS2570OFWAYPRESSUREDROP，ANDTHATTHEHEATTRANSFERCOEFFICIENTISIMPROVED37BYTHETRIANGLETHECURRENTRESULTSCANSEREASTHEREFERENCEFORTHEDESIGNANDOPTIMIZATIONOFTHEFINNEDTUBEKEYWORDSDIRECTAIRCOOL；FLATWAVEFINNEDTUBE；HEATTRANSFERANDFLUIDFLOW；NUMERICALSIMULATION0前言国内外学者对空冷翅片管的换热及流阻特性进行了较多的研究J，胡汉波”OJ对蛇形翅片管的换热及流动特性进行了实验研究并考虑了翅片长度对翅片管性能的影响，MEYER等采用实验的方法研究了不同风机、不同翅片管散热器椭圆翅片椭圆管及矩形翅片椭圆管翅片管散热器及不同充气室几何参数对充气室流动损失的影响。目前很多研究针对的都是光滑蛇形翅片管，本文对带扰流三角的蛇形翅片管气侧换热及流阻特性进行数值研究，分析流体温度、压力沿流程方向的变化规律以及迎面风速、扰流三角个数、扰流三角尺寸等因素对蛇形翅片管换热及流动性能的影响，为空冷式蛇形翅片管强化换热和优化设计提供理论参考。1物理数学模型11物理数学模型蛇形翅片管的结构如图1所示，尺寸参数见表1。考虑到管束的对称性，数值模拟取两管束之间的一半区域；考虑到翅片的周期性，数值模拟取包含一N形翅片的单元区域。翅片示意图扁管不蒽图1蛇形翅片管几何示意图在空气流通方向上顺序冲压特定形状的扰流三角，在研究光滑翅片流动换热特性的基础上研究三角波纹对流动和换热的影响。本文研究的扰流三角个数分别为3、5、8、10，扰流三角高度分别为08RAIN、10MM和12MM，扰流三角底边收稿日期20100505作者简介李书营1975，男，郑州铁路职业技术学院老师研究方向节能技术及传热强化。1L6汽轮机技术第53卷尺寸分别为12MM、16MM和20RAM。表1蛇形翅片管尺寸参数单位MM为方便叙述，对具有三角形扰流部件的翅片管工况进行如下编号。ABCD其中A代表扰流三角的个数，B代表扰流三角底边尺寸的一半，C代表扰流三角的高度，D表示进口风速，如561215，表示5个扰流三角，扰流三角底边尺寸12RAM，扰流三角高12MM，进口风速为15MS。如果仅仅对翅片管进行编号，最后一项可以省略，000特指光滑蛇形翅片。在GAMBIT里建立模型，采用分块画网格方法进行网格划分。翅片扰流三角及网格划分如图2所示。图2翅片网格图为了便于计算，蛇形翅片管物理模型作如下简化假设1计算区域中的换热与流动是稳态的；2计算区域中的空气为不可压缩气体；3不考虑扁管和翅片的辐射换热；4扁管和翅片的导热系数为常数；。5流体在固体壁面上无滑移。运用质量、动量和能量守恒定律，可得连续性方程I2边界条件流体进口面采用速度人口边界条件，出口面采用压力出口边界条件，扁管外壁和翅片均为导热对流耦合壁面，扁管内壁取定壁温，计算域两侧为周期性边界条件，上下取对称边界条件；参考文献LL引，翅片管导热系数为190WINK。13模型验证为了验证所选计算模型的合理性，对文献叫中蛇形翅片单排管的气侧平均换热系数及流动阻力进行模拟计算，计算结果如图3所示。45堇40蠢鉴35R窭噻明15202530354045迎面风速T1，S152O253O3S4045迎面风速VRS图3抉热系数及通风阻力计算值实验值比较从图3可以看出，在所研究的风速范围内，模拟值和实验值空气侧换热系数最大相对误差为65，阻力最大相对误差为89。因此，可以认为所选模型是合理的。12计算结果与分析一P詈OXOYCZ12帆，能量方程OTOTOT02_LTDAGZ_TPCPOXOZ3、D，湍流模型采用RNGK湍流模型去击芸一4去毒詈5式中，为平均速度梯度的动能产生项；G为的产生项；厂、分别为K,TO的有效扩散项；、分别为、的湍流耗散项；D，为正交发散项；S、S，为自定义源项。21流体温度、压力沿流程方向变化规律研究不同翅片、不同风速下，流体压力、温度沿流程方向的变化规律，可得到图4和图5。由图4可知在光滑滑蛇形翅片管中，流体静压沿流程线性降低，在150MM处静压为0，之后继续降低略有负压。在流出翅片之后，速度降低，部分动压转变为静压，出计算域时，流体表压为0。在三角扰流翅片中，流体压力不再线性下降，翅片高度为08MM时，扰流部分的压力梯度是光滑部分的15倍左右，翅片高度为12MM时，扰流部分的压力梯度是光滑部分的22倍左右。从图5可知翅片温度和流体温度都沿着风向流程而增加，且入口处换热温差大，流体温升较快，之后换热温差逐渐减小，流体温升速度逐渐放缓。扰流三角对翅片温度的影响很小，对流体温度的影响较明显，随着扰流三角个数和三角高度的增加，出口流体温度明显提高。22换热系数、通风阻力随迎面风速的变化规律研究不同翅片、不同风速下，管外空气对流换热系数和加舯砷卯柏如加卜缸程方量动第2期李书营等三角扰流蛇形翅片管流动换热特性数值研究1L7330325320315蛊。螬305300295290330325320315怠310赠30530029529004080120160200风向流程ZMMVP2MS04080120160200风向流程ZMM西VR4MS图4流体压力沿流程方向变化图04080120160200风向流程ZMM田VR2MS04080120160200风向流程ZMMVR4MLS图5温度沿流程方向变化图通风阻力的变化，可得到图6和图7。从图6中可以看出，随着迎面风速的增大，翅片管的气侧平均换热系数及流动阻力均增加；扰流三角强化了换热，三角高度越大强化作用越明显，换热系数最大提高了37，但通风阻力也增加较快，最大增加了137。从图7可知，换热系数和通风阻力都随着扰流三角的个数增加而增加，研究表明当扰流三角个数小于10个时，换热系数和通风阻力增加明显，当个数大于10时，换热系数和通风阻力进一步增加的速度有所减缓。23综合评价采用常用的UU。O作为翅片性能的评价指标，对所研究的几种翅片做出评价，可得到图8。从图8可知，所研究的具有三角扰流部件的蛇形翅片管曼越垛；152025303540迎面风速VIIMS152025303540迎面风速VRMS图6气侧平均换热系数及流阻随迎面风速的关系152025303540遮面风速VXMS152025303540迎面风速，M，S图7气侧平均换热系数及流阻随迎面风速的关系152025303540迎面风速，M，S口3608_3610口3612口56085610日5612目8608口86108612日51008口51010口5101238083810日3812_5808058一10口5812图8不同风速下各种翅片性能柱状图性能均优于光滑蛇形翅片管，比光滑蛇形翅片管的NUNU。L值提高1585，迎面风速低于25MS时，8608较佳，迎面风速高于25MS时，51012较佳。舯鲫如加加0D，R螬圳M鲫O日R旦区阁鲫卯加砷加0D，蛞螬如鲫G一、亭，赫耋鲫砷如舯砷加司受医M惦叭呻；II110蜷，鱼1L8汽轮机技术第53卷3结论本文采用数值方法对三角扰流蛇形翅片管气侧换热及流阻特性进行模拟，得到如下结论1翅片部分三角扰流部位局部阻力是沿程阻力的25一70。2扰流三角对翅片的温度影响很小，但对流体温度影响较明显，出口温度明显提高。3扰流三角对流动和换热均有明显影响，换热系数最大提高37，通风阻力最大提高137。4所研究的三角扰流蛇形翅片管性能均优于光滑蛇形翅片管，性能提高1585，迎面风速低于25MS时，8608较佳，迎面风速高于25MS时，51012较佳。参考文献1邱丽霞，郝艳红，李润林，靳智平直接空冷汽轮机及其热力系统M北京中国电力出版社，20062AJEARDAR，AMJACOBIHEATTRANSFERENHANCEMENTBYWINGLETTYPEVOEXGENERATORARRAYSINCOMPACTPLAINFINANDTUBEHEATEXCHANGERSJINTEMATIONALJOUMALOFREFRIGERATION，2007，04111一I13RSMATOS，JVCVARGAS，TA1AURSEN，ASEJANOPTIMALLYSTAGGEREDFINNEDCIRCULARANDELLIPTICTUBESINFOREEDCONVECTIONJINTERNATIONALJOUMALOFHEATANDMASSTRANSFER，2004，476134713594HAEIMEHMETSABIN，ALIRIZADAL，ESREFBAYSA13一DNUMERICALSTUDYONTHECORRELATIONBETWEENVARIABLEINCLINEDFINANGLESANDTHERMALBEHAVIORINPLATEFINTUBEHEATEXCHANGERJAPPLIEDTHERMALENGINEERING，2007，2711180618165AYTUNCEREK，BARISOZERDEM，LEVENTBILIR，ZAFERLIKENEFFECTOFGEOMETRICALPARAMETERSONHEATTRANSFERANDPRESSUREDROPCHARACTERISFICSOFPLATEFINANDTUBEHEATEXCHANGERSJAPPLIEDTHERMALENGINEERING，2005，2514242124316YLHE，WQTAO，FQSONG，WZHANGTHREEDIMENSIONALNUMERICALSTUDYOFHEATTRANSFERCHARACTERISTICSOFPLAINPLATEFINANDTUBEHEATEXCHANGERSFROMVIEWPOINTDFFJELDSYNERGYPRINCIPLEJINTERNATIONALJOURNALOFHEATANDFLUIDFLOW，2005，2634594737CJMEYER，DGKROGERPLENUMCHAMBERFLOWLOSSESINFORCEDDRAUGHTAIRCOOLEDHEATEXCHANGERSJAPPLIEDTBEMMLENGINEERING，1998，L898758938CJMEYER，DGKROGERAIRCOOLEDHEATEXCHANGERINLETFLOWLOSSESJ】APPLIEDTHERMALENGINEERING，2001，219771786