（制冷及低温工程专业论文）冷库内的翅片传热强化及气流组织.pdf

中文摘要 本课题以冷库中的冷却排管为研究对象，对一种新型的铝制翅片管做了一定 的假设，建立了适用于自然对流条件下的翅片管三维稳态传热的数理模型，选择 合适的求解方法，对其进行了有效的数值模拟，得到了一定结构的翅片管在不同 结构尺寸下的温度场和速度场分布，揭示库内的温度分布特性与流场特性，并对 影响库内温度分布的各种因素进行了理论分析。 本文首先对翅片管的形式进行讨论，无论是在翅片管恒壁温条件下，还是在 翅片管恒热流条件下，本文所使用的三翅翅片管与两翅翅片管以及光滑排管相 比，不仅在散热量上有明显的优势，而且对冷库的制冷效果有了明显的改善。 分别使翅片管在恒壁温条件及恒热流条件下，通过改变影响翅片管散热性能 的主要因素，包括翅片高度、翅片夹角、翅片厚度以及管排间距，对不同结构的 翅片管的数值模拟结果进行了分析，其中翅片厚度对翅片管的散热性能没有特别 明显的影响，所以我们按照一般工业上的应用，选择翅片的厚度为l m m 。然而 翅片高度、翅片夹角和管排间距则对翅片管的散热性能影响很大，分别存在最优 的几何尺寸。数值模拟与分析结果表明，在恒壁温条件下，翅片高度为4 0 m m ， 翅片夹角为6 0 。，管排间距为l o m m 时，翅片管的制冷能力最优，冷库可达到 我们所需要的制冷温度。而在恒热流条件下，当翅片高度为5 0 m m ，翅片夹角为 5 0 。，管排间距为l o m m 时，翅片管的制冷能力最优，冷库可达到我们所需要的 制冷温度。 关键词：冷库翅片管几何尺寸自然对流数值模拟 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，t h ec o o l i n gp i p eo ft h er e f r i g e r a t i o ni su s e da st h er e s e a r c ho b j e c t ， c e r t a i nh y p o t h e s i sa b o u tan e wk i n do fa l u m i n u mf i n n e dt u b ei sm a d ei no r d e rt o e s t a b l i s ht h em a t h e m a t i c a lm o d e lw h i c ha p p l i e st ot h et h r e e d i m e n s i o n a ls t e a d y - s t a t e h e a tt r a n s f e ro ff i n n e dt u b eu n d e rt h en a t u r a lc o n v e c t i o n t h ea p p r o p r i a t es o l u t i o n m e t h o di ss e l e c t e dt om a k et h ee f f e c t i v en u m e r i c a ls i m u l a t i o n , a n dg e tt h e t e m p e r a t u r ea n dv e l o c i t yd i s t r i b u t i o no f ac e r t a i ns t r u c t u r eo ff i n n e dt u b ei nd i f f e r e n t d i m e n s i o n s a sar e s u l t ，t h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na n dt h ef l o wf i e l dc h a r a c t e r i s t i c s i nt h er e f r i g e r a t i o na r eo b t a i n e d ，a n dt h ee f f e c tf a c t o r so ft e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni n t h er e f r i g e r a t i o na r ea n a l y z e d f i r s t l y ，t h ef o r m so ft h ef i n n e dt u b ea r ed i s c u s s e d r e g a r d l e s so ft h ef u m e dt u b ei nt h e c o n s t a n tw a l lt e m p e r a t u r eo ri nt h ec o n s t a n th e a tf l o w ，c o m p a r e dw i t ht h es m o o t ht u b e ， t h et h r e ef e n sf i n n e dt u b ea n dt h et w of m st m n e dt u b eh a v et h eo b v i o u sa d v a n t a g ei n h e a td i s c h a r g e ，a n dr e m a r k a b l yi m p r o v et h ee f f e c to fr e f r i g e r a t i o n t h ef i n n e dt u b en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t sa r ea n a l y z e dw h e nt h ef i n n e dt u b ei sa t c o n s t a n tt e m p e r a t u r ec o n d i t i o n so rc o n s t a n th e a tf l u xc o n d i t i o n s ，b yc h a n g i n gt h e f a c t o r st h a ti n f l u e n c ef u m e dt u b eh e a td i s c h a r g e ，i n c l u d i n gt h ef i nh e i g h t ，f ma n g l e ， f e nt h i c k n e s s ，a n dt u b eo fd i f f e r e n ts t r u c t u r e t h e r ei sn oo b v i o u se f f e c to ft h ef m t h i c k n e s so nf m n e dt u b eh e a td i s c h a r g ep e r f o r m a n c e ，s oa c c o r d i n gt og e n e r a l i n d u s t r i a la p p l i c a t i o n , t h et h i c k n e s so flm mo ft h ef - mi sc h o o s e d h o w e v e rt h ef m h e i g h t ，f e na n g l ea n dd i s t a n c eo ff u m e dt u b eh a v et h el a r g ei n f l u e n c et ot h ef i n n e d t u b eh e a t ，a l lo ft h e me x i s tt h eo p t i m a lg e o m e t r i c a ld i m e n s i o n s t h en u m e r i c a l s i m u l a t i o na n da n a l y s i sr e s u l t ss h o wt h a tu n d e rt h ec o n d i t i o no fc o n s t a n tt e m p e r a t u r e ， t h ef mh e i g h to f4 0 m m ，f ma n g l eo f6 0 。a n dd i s t a n c eo f10 m m ，t h ef i n n e dt u b e c o o l i n gc a p a c i t yc a nr e a c ht h eo p t i m a lc o n d i t i o n a n dt h es a n l eo p t i m a lr e f r i g e r a t o r y c a p a c i t yc o u l db er e a c h e di nt h ec o n d i t i o no fc o n s t a n th e a tf l u x ，t h ef mh e i g h to f 5 0 r a m ，f i na n g l eo f5 0 o a n dd i s t a n c eo f10 r a m k e y w o r d s ：r e f r i g e r a t i o n ，f i n n e dt u b e ，g e o m e t r i cs i z e ，n a t u r a lc o n v e c t i o n ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁盗盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 一龆奄防期：年r 月落日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨盗态堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位敝储魏氇瞒 签字日期：垆叮年f 月万日 翩躲卸 签字日期：) 仇7 年厂月砺 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 随着经济的进一步发展，现代物流系统所带来的巨大效益正日益引起世界各 国的重视，而作为现代物流系统重要组成部分的冷库势必备受关注【l 】。冷库是食 品冷藏链中重要的一环，在欧美国家，只有当冷库被列入一个比较完善的冷藏链 中，这个国家的速冻食品销量才能有大的增长。由此可见，冷库在食品贮藏中的 地位。因此，对冷库进行研究也就具有更加现实的意义。 冷库在国外起步较早，且发展较快，主要有日本、美国、芬兰、加拿大等。 世界上第一座冷库是于18 6 5 年在美国纽约建立的，当时主要用于贮存家禽和野 味。随着食品冷藏链概念的提出，制冷技术和建筑工艺的发展，冷库在美、英、 法、德、俄等国家急速地兴建起来，冷库容量迅速增大。到1 9 1 0 年，美国公用 冷库的容量达到一百万立方米，而美国到1 9 1 6 年己拥有公用冷库1 0 0 0 座，总容 量为七百万立方米1 2 。二战以后，伴随着食品冷藏链的趋于完善( 己发展到从食品 原料加工，直至消费者食用以前，都使食品处在低温条件下贮藏) ，各国的冷库 吨位都有较大增长，并且冷库的建筑形式也多样化起来。例如，美国在1 9 4 9 年 的冷库容量为8 0 0 万吨，至1 9 7 3 年时增加到1 6 8 4 万吨，年平均增长速度为4 左右。日本，1 9 4 9 年时的冷库容量为5 9 万吨，到1 9 7 3 年时增加到了3 4 0 万吨【3 】。 随着世界各地更多地依靠冷链来满足不断增长的易腐产品的贸易和消费，增加冷 藏容量成为了一个全球的趋势。自19 9 8 年起，国际冷藏仓库协会( t a r w ) 每隔一 年发布一次全球冷库容量报告。这份报告是世界各地冷库容量统计的唯一资源。 据其统计，2 0 0 8 年，全球总体冷藏库容量大约是2 4 7 7 7 亿立方米( 8 7 4 9 9 7 亿立 方英尺) 。而针对于几个冷库较为发达的国家在2 0 0 4 年、2 0 0 6 年、2 0 0 8 年的冷 库容量如表1 1 所示。 上世纪七十年代以来，在一些工业比较发达的国家中出现了一个值得重视的 动向，就是比较重视兴建为一定目标服务的专业性冷库，以更好满足人们对不断 提高食品保鲜质量的要求，及加快冷库建设速度和创造冷库最佳运行工况的需 要。在这一时期内出现了一些新式冷库，主要有：装配式冷库、气调冷库、夹套 式冷库、立体式自动化冷库。除此之外，有些国家为了节约能源，减少经常费用， 还因地制宜兴建了一些山洞冷库或地下冷库；为贮藏一些要求正温条件下进行恒 温恒湿控制的食品，如大米、药材等，还兴建了空调冷库；还有一种一4 5 5 0 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 的超低温冷库，用于贮藏某些特殊水产品或生物制品等高档商品。由以上情况可 知，近代冷库建设正朝着装配化、自动化和专用化的方向发展，它标志着冷藏技 术己进入到冷库建设整体现代化的新阶段。 表1 1 各国冷库容量( 单位：百万立方米) 国家2 0 0 4 年2 0 0 6 年 2 0 0 8 矩 美国6 6 7 5 6 8 。9 77 0 7 4 日本2 7 4 62 7 6 9 2 7 6 9 德国 6 5 08 7 01 3 4 0 英国 4 4 04 4 05 6 0 荷兰 1 2 09 0 01 2 6 0 中国 幸橐 1 5 0 0 印度 幸 1 8 5 8 俄罗斯 难奎 1 6 o o 同国外冷库的发展一样，国内的冷库在近几十年里，无论在库容量还是其他 方面也都获得了长足的发展。随着我国国民经济的快速发展和人民生活水平的不 断提高冷库设计，消费观念在不断进步，人们的食品结构和需求也在不断产生新 的变化，绿色、保鲜食品已成为满足现代人生活的必需品。在符合食品的安全、 经济、便捷等需求趋使下，国内低温食品消费量已日益增加。但是由于我国冷库 起点低、步伐慢、配套制度不够完善，我国的冷库事业相对还比较落后。到目前 为止，多数冷库仍采用以氨为制冷剂的集中式制冷系统，其冷却设备大多采用光 滑排管。冷库建筑形式开始从以土建为主转向大力发展装配式冷库。2 0 世纪8 0 年代，为尽快提高我国冷藏工业的水平，许多企业引进国外先进的生产线或关键 设备，进行技术改造，很快便改变了我国组装式冷库的落后面貌。从2 0 世纪8 0 年代中期开始，到目前为止，我国自己设计建造的装配式冷库中，库容小的为 1 0 吨，大的多到5 0 0 0 吨。 随着冷库容量的不断增大，对冷库的制冷能力也提出了更高的要求，在追求 大容量冷库的同时，也要使冷库的温度得到保证，因此，对冷库库房内的冷却方 式的研究就显得尤为重要。 冷库库房的冷却方式一般有自然对流冷却和强制循环两种方式，即冷却空气 的蒸发器可分为冷却排管和冷风机两种。目前，我国冷库大都采用排管来实现预 期的室温，而美国冷库的低温冷藏库均采用冷风机。但从对货物的影响来考虑， 现阶段还是采用传统的自然对流式比较合理。一是因为目前国内冷库仓储的货 物，包装质量较差，并且裸装货物占很大比例，如果采用强制循环冷却，货物干 天津大学硕士学位论文第章绪论 耗较重，尤其是对于高价值的货物，例如海产品和水果，如果使用冷风机，强制 冷却会造成产品水分缺失严重，导致经济损失。二是自然对流式冷却多采用顶排 管式，这种方式排管的存液量较大，有较强的蓄冷能力嗍。而且冷风机也存在 一些缺陷：气流组织不理想，易形成气流死角；嗓音大；新风补充和回风净化困 难等。所以推广运用排管冷库，其优势还是比较明显的。 1 2 排管蒸发器的发展 蒸发器是制冷装置中最重要的组成部分之一，它的运行状况直接关系到整个 制冷系统性能的优劣。因此，蒸发器的研究一直得到了国内外学者的密切关注。 作为制冷装置的低温换热器，蒸发器与低温热源进行热量交换。在制冷模式下它 从冷环境中吸收热量，通过冷凝器排放到高温环境中去；在制热模式下它从低温 环境吸收热量，并通过冷凝器排放到高温区。 为了增强蒸发器的换热能力，采用在蒸发器排管上附加翅片的方法。当今国 内外对翅片管的研究开发从制造工艺水平的提高、传热分析的研究、实验方法和 测试手段的改进以及数值模拟的方法等方面都进行了大量的工作。目前，强化传 热过程，提高传热效率，提高紧凑性，降低材料消耗仍是翅片管的重要发展趋势。 早期的工作受研究手段的限制，主要是利用分析研究和实验测试的方法。近年来， 随着计算技术的不断发展，数值模拟研究也得到飞速发展。 1 3 翅片管的形式及应用 1 3 1 翅片管 表面传热强化一般有以下途径：增大表面和外界环境间的传热系数，增大表 面的传热面积，或两者同时应用。多数情况下，通过在壁面或表面上附加翅片扩 展表面积的方式，来增大传热面积【5 1 。 翅片管作为传热元件广泛应用于石油、化工、动力、交通、制冷、暖通等国 民经济及国防工程中，设置翅片作为强化传热的方法相当普遍，表面扩展技术有 了长足的发展，产生了新的设计思想，包括采用各向异性复合材料翅片、多孔材 料翅片和百叶窗式翅片【5 7 1 。 1 3 2 翅片形式 翅片的形式繁多，因应用场合不同而不同。常用的翅片有横向和纵向两类， 其它类型都是这两类的变形，如大螺旋角翅片管、螺纹管等，前者接近纵向，后 天津大学硕士学位论文第一章绪论 者接近横向。翅片在管内、管外或内外兼有。翅片管按制造方法不同可分为整体 翅片、焊接翅片和机械连接翅片。如图1 1 所示的是工业上广泛应用的几种翅片 形式。 豢豢 一鳓一雠“爨 图1 1 常见的几种翅片形式 ( 1 ) 竖直平面翅片 在管外壁沿其长度方向上下竖直的平板翅片。目前我国的铸铁多翼型、柱翼 型( 辐射对流型) 及长翼型散热器中的翅片都属于这一种。 ( 2 ) 竖直间断翅片 在竖直平面翅片的基础上，对翅片表面几何形状进行改进，如将原有竖直翅 片沿长度方向分为若干段，或将各段翅片做有规则的位移，使相邻翅片错列。 ( 3 ) 环形翅片 在热媒流通的圆形管道上加工环形翅片，也是采用较为广泛的一种翅片形 式。其最大特点是传热管可在较大的纵向和横向节距上排列布置而不造成翅片效 率的下降。 ( 4 ) 板式翅片 在热媒流通的圆形管道上加装矩形翅片，是又一种使用广泛的翅片形式，这 种翅片的结构特征是翅片在管外壁且与管外壁垂直。板式翅片在空调、电力、石 油、化工以及交通运输等工业中得到了越来越多的广泛应用。 此外，还有可提高翅片表面传热性能的各种强化翅片如槽带翅片、穿孔翅片、 钉形翅片以及锯齿翅片等。这些翅片是在以上翅片的基础上改进的翅片形式，目 的是加强扰动，破坏粘性底层来强化传热。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 4 冷库与翅片管的国内外研究现状 1 4 1 冷库的温度场和流场分布特性的研究 m m a r i o t t i 等人对空调房间内的温度场和流场进行了数值模拟，并将模拟结 果与测试结果进行比较，得到较好吻合【8 l 。 - 王剑锋等人对两个横向直吹布风的冷库冻结间进行了流场和温度场测定，采 用d b s p a l d i n g 的k - s 双方程模型和s i m p l e 算法对流场进行了计算机数值模拟。 结果表明，由于结构尺寸和风机布置决定了流场呈现一个中心大回流，局部存在 次中心大回流和小回流气团 g a o l 。 胡浩采用k g 紊流模型建立了水果气调库内气体流动、传热与传质的三维数 学模型，还对水果的呼吸原理建立了货物区的热质传递控制方程，采用s i m p l e 算法和整体求解法，还编制了通用的计算机程序，对气调库的降温、降氧过程进 行了数值计算。同时对相应的过程进行了实验研究，测试结果与利用其所编制的 计算程序的计算结果吻合较好，从而验证了数学模型的正确性和计算程序的可靠 性【1 1 】。 余克志和陈天及建立了小型装配式冷库的二维物理模型和紊流数学模型，并 编制计算机程序进行数值求解，揭示了库内气体流场特性与温度场分布特性，并 分析了装货高度和位置对库内速度场和温度场的影响以及冷风机送风速度及库 温控制对库内温度分布的影响【l2 1 。 瞿晓华等人以一个( 长宽高) 4 5 m x 3 3 m x 2 5 m 的实验冷库为对象，建 立了二维湍流数值计算模型，并采用了s i m p l e 算法和交错网格技术进行了求解 计算。实验验证表明模型与实际吻合较好。模拟研究揭示整个冷库的流场存在一 个中心大回流区、流场主流贴附边界流动、流场在拐角处速度减小。在此基础上， 还对可能影响冷藏库内气流组织的多个设计参数( 冷风机出口风速，拐角挡板， 货物等) 进行了模拟研究，研究表明这些参数对冷藏库内流场和温度场都有巨大 的影响，进一步说明c f d 工具在冷藏库设计和优化设计过程中的重要作用和意义 1 1 3 。 1 4 2 翅片外形优化的研究 由于对轻质、坚实、经济的翅片需求很大，优化翅片尺寸尤为重要。因此， 翅片必须设计得排除热量最大，所费材料最省，而且翅片外形制造要简便 1 4 - 1 6 】。 对于翅片外形的优化，已有一定的研究。 k u t s c h e rcf 等人通过削减翅片的某些材料来改善翅片形状，例如空腔、空 洞、切口、开槽或穿过翅片体的通道，以增大传热系数【1 5 1 8 】。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 k a k a c 提出一种增强传热的技术是，使用形态各异的粗糙的或有间断的表面。 粗糙表面或间断的作用是引起表面扰动，主要目的是增大传热系数而不是增大表 面积【17 1 。 腼t l l _ b y 曾经指出不平滑表面的自由对流系数比平滑表面大5 0 到1 0 0 【l 9 1 。 b e r g l e s 对有间断、穿孔和呈锯齿状的表面进行了研究，认为由于在间断面后 重新形成的热边界层改善了传热，并指出增大对流系数，足以弥补传热面积的损 失【1 7 】。穿孔板就是一个表面间断的例子 1 8 , 19 】，它在各种换热器、薄膜冷却和太阳 能集热器上有着广泛的应用。尽管内含空洞的对流系数和无穿孔板全表面的对流 系数间的关系容易得到，但文献研究表明，在自然对流条件下，穿孔表面的这种 关系的研究仍嫌不足 2 0 2 1 1 。 s a h i nb a y r a m 进行了另外的实验，在矩形通道平滑表面上设置正方形截面的 穿孔插销翅片，研究强迫传热的强化作用。实验结果表明，具有圆形穿孔的正方 形截面插销翅片，引起传热强化瞄】。 a h 艾尔伊莎和m i 艾尔威甸提出这样的观点，研究一种设置水平矩形翅片 对自然对流传热的强化作用，翅片内含三角形穿孔，三角形的底边平行并朝向翅 片顶端。比较了这种多孔翅片和同等实心翅片的热耗散率考虑的参数包括翅片 及其穿孔的几何尺寸和热性能。讨论了翅片穿孔后引起的传热强化和翅片重量的 减轻。结果表明，在某些三角形穿孔和穿孔间距的值域内，穿孔翅片改进了同等 情况实心翅片的热耗散，当翅片导热率及其厚度增大时，穿孔翅片的传热也得到 强化 2 3 】。 图1 2 带有等边三角形穿孔的翅片 曲乐，贾林祥二人以两种翅片表面( 锯齿翅片、打孔翅片) 为研究对象，采用 f l u e n t 软件模拟和分析不同结构参数和数对翅片表面传热与流动阻力的影响， 得出不同结构参数和操作参数下两种翅片的表面性能曲线；分别分析了锯齿翅片 的翅片高度、翅片间距、翅片厚度和切开长度以及打孔翅片开孔率对翅片表面流 天津大学硕士学位论文第一章绪论 动与传热性能影响；分析比较了两种翅片的性能。得出结论：锯齿翅片的高度越 大传热性能越好；锯齿翅片的间距对其传热性能有直接影响；锯齿翅片的厚度越 大传热性能越好：相同r e 下锯齿翅片的传热性能优于打孔翅片【2 4 】。 1 4 3 翅片的数值模拟研究 c h i e n - n a nl i n 等人分别在翅片管夹角、b i o t 数和空气湿度变化的条件下，在 干、半干和全湿的环境下对椭圆翅片管的传热效率进行了二维的分析。结果表明， 椭圆翅片管的传热效率随着翅片夹角的增加而增加，但夹角一定，椭圆翅片管的 效率随着翅片高度和b i o t 数的增加而增加。传统i d 截面法过高的估计了传热效率 从而导致了在翅片夹角增加时产生了错误的分析。此外还通过实验证明在相同周 长的情况下，在全湿或全干的情况下，椭圆翅片管要比圆形翅片管效率要提高 4 8 【2 5 1 。 k u n d a 等人在考虑了对流换热系数在翅片管表面上呈线性分布的情况下，分 析了纵向梯形翅片管和圆环梯形翅片管的温度分布，并在热力几何参数变化的基 础上研究它们的传热情况。研究表明，当考虑到传热系数沿翅片管表面变化时， 对翅片管传热计算结果有很大的影响，最后还给出了纵向梯形翅片管的优化，并 且给出了优化曲线图【2 6 】。 李安桂等主要讨论了具有对流、辐射及导热同时存在的矩形矩形直肋散热器 的复杂换热问题，给出了一种线性化的解析方法。利用该方法，对含有辐射项的 非线性微分方程进行了解析求解。分析了对流和辐射对肋效率的综合影响，得出 了在综合换热作用下肋散热量的计算公式 2 7 】。 凌旭等利用离散流动的概念和二维非稳态传热的数值计算方法，建立了流体 从翅片管束换热器流出时温度变化的计算模型，并设计了配比方法，使离散流动 瞬态法有了较大的改善。作者用该方法确定了空气横掠大管径错排翅片管束的传 热系数。同时还用恒壁温法对该管束的换热系数进行了试验研究，二者结果符合 很好 2 铂。 崔明贤等人采用高雷诺数k _ 占湍流模型，对中高雷诺数下紧凑式换热器的表 面换热及流动特性进行数值模拟。结果表明，该种形式的换热器具有良好的流动 和换热性能，拓宽了其在空调领域的应用。在进行数值计算时，首先将区域离散 化，采用内节点法完成离散化过程。并用结构化网格中的常规网格划分方法，在 靠近壁面的区域网格线较稠密一些。对流项的离散采用q u i c k 格式。采用交错 网格体系，方程求解采用s i m p l e 算法，应用高雷诺数k - 占模型与壁面函数法相 结合。各控制容积界面上的流量、物性参数等以及动量方程源项的离散，用插值 的方法确定；以各控制容积不满足连续性剩余质量大小的绝对值最大值，作为速 度场是否收敛的判据【2 9 】。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 g u a n n a nx i 等比较了对翅片管进行数值计算时二维模拟与三维模拟的不同， 并指出了三维数值计算的困难性【3 0 1 。 张战等人在中低雷诺数情况下，应用s i m p l e 算法对紧凑式错列翅片换热器 表面的传热及流动阻力进行数值模拟，将模拟结果与实验数据和经验关联式相比 较，吻合较好，表明此算法是可行的，数值计算的结果表明此紧凑式换热器具有 良好的换热特性，在空调领域具有广阔的应用前景【3 。 t o r i k o s h ik 和x ign 对一排和两排翅片管中复杂的流动与换热问题进行了 三维的数值模拟。三维数值模拟有利于分析流动与换热的机理，可以预测实际换 热器的换热性能，但同时也存在不少计算上的困难【勉】。 张玉文等人，假定传热为稳态，肋片是漫灰体，常物性，肋片温度只随肋高 变化，肋尖绝热，肋间壁面温度均匀，等于t w 。对一梯形肋片建立数学模型并列 出方程组，用试射法求解。即假定) ，= o 处的d t d y ，用龙格库塔法求解，再用牛 顿迭代法修正，最后求出温度分布，然后用傅里叶定律求出每个肋片的散热量。 得到的主要结论有，得到了肋片中的温度分布；各个参数对肋片散热性能的影响， 即对肋片性能影响最大的是肋片高度，但肋高的增大对辐射是不利的，肋片间距 的增大有利于当个肋片的散热，但会降低肋片有效度。肋片根部厚度的变化对肋 片性能的影响不大。环境温度对肋片有效度影响不大。肋基温度越高，辐射影响 越显著【3 3 】。 孙平等人首先对翅片管的换热规律进行数值模拟，得到了不同结构翅片管周 围空气的温度和速度分布。观察发现，几何参数相同时，封闭式翅片形式在总散 热量、单位体积散热量和金属热强度方面均优于开放式翅片形式。然后在边界条 件恒热流和恒壁温两种情况下，重点研究了封闭式翅片管的换热特性，得出了封 闭式翅片管对流换热系数、金属热强度、总散热量、单位体积散热量、单位换热 面积散热量等参数随着翅高和夹角变化的变化趋势。最后根据数值模拟结果拟和 出了封闭式翅片管的换热关联式。研究模拟结果发现，相同条件下( 翅高、夹角 和壁面平均温度) 恒壁温的换热性能优于恒热流的换热性能。为了证明以上模拟 结果的准确性，建立了翅片管换热实验台，通过实验测出翅片管及其周围空气的 温度分布和散热量，与数值模拟结果进行比较，从而验证了数值计算的准确性。 最后，建立了以总散热量、单位体积散热量和单位面积散热量为参数的目标函数。 利用数值模拟和实验的结果，得出了在翅片高度或者夹角一定时，参数出现极值 时翅片高度和夹角的关系，同时拟合了翅片高度和夹角的关系方程【3 4 1 。 张政等人应用p a t a n k a r 研究薄翅片管的湍流模型，对一种工业化的厚翅片管 内的流体流动和传热进行了数值分析。计算的范围包括了层流和湍流。所得计算 的结果与较窄范围内实验所测得传热与阻力数据相当符合。针对充分发展的管 流，混合长度湍流模型有足够高的精度。采用按等比级数变化的不等距网格，计 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 算中采用的数值计算方法为控制容积法，将管壁、翅片和流通空间作为一体耦合 考虑 3 5 】。 金瑶瑶等人通过建立竖直翅片管自然对流换热的数学物理模型，针对自然对 流的传热特性确定了数值计算的具体实施方法，对其进行了数值模拟。为了减少 计算量，引入正交实验法探讨了基管高度h 、翅片高度l 、翅片夹角0 和翅间距 s l 对竖直翅片管自然对流换热的影响。对于翅片管单管自然对流换热，散热量随 管高的增加而增大，单位质量散热量随管高的增加而减小；翅片夹角一定，翅高 在变化时，单位质量散热量最大的是翅高7 0 r a m 的翅片管：翅高一定时，翅片夹 角过大或过小都不利于散热；当翅片夹角变化时，翅高7 0 m m 的翅片管在夹角3 0 。时单位质量散热量最大，其他翅片管都在夹角6 0 。时单位质量散热量最大。 为了探讨间距对翅片管换热的影响，作者对不同管高和不同翅间距管排进行了数 值模拟。间距的增大使管排的总散热量增大，单位体积散热量减小；管排的最佳 间距随管高的增加有所增大，在对管排数和管高综合分析后得出管排数的选取应 尽量遵循多管低高度的原则。对翅片管换热中辐射换热的影响进行了分析。翅片 管单管的辐射散热量占总散热量的比重为3 6 5 - - 4 9 2 ，管排的辐射散热量占总 散热量的比重为2 9 3 9 ；适当增加翅片高度、基管高度和管间距都有利于提高 辐射散热量。在分析归纳大量的数值计算数据后，综合各种影响翅片管换热的因 素，拟合出翅片管单管及管排的自然对流换热准则关联式。建立了翅片管热工性 能实验台，分别对翅片管单管与管排进行实验。实验数据与数值计算数据所得结 论一致，虽然数值上仍存在一定偏差，但数据相对吻合【3 6 】。 张建文等人采用常规k - 占模型对一种新型螺旋内翅片管内充分发展的流体 流动与传热进行了数值分析。采用变量置换法把控制方程由原来的三维问题转化 为二维问题，并采用s i m p l e c 方法计算考察了轴向恒壁温、轴向恒热流的螺旋 内翅片管内充分发展条件下的流体流动与传热问题，得到了与实验相近的结果。 进一步用所述的方法对相同横截面的直翅和螺旋翅片管内的流场和温度场进行 了数值模拟研究，它揭示了螺旋翅片管相对于直翅片而言阻力增加而传热效率下 降的机制。计算中将管壁、翅片区与流体域耦合求解。对邻近固体区域采用壁面 函数法处理。对变量的求解采用控制容积法。利用s i m p l e c 算法求解动量方程 与连续性方程的耦合关系。对动量方程、连续性方程和k 占方程反复迭代直至获 得收敛的流场。在获得流场之后再求解温度方程得到温度分布p 7 | 。 1 5 本课题研究内容 作为一种高效的强化传热元件，翅片管的应用已经得到了人们的认可，然而， 由之前的文献我们认识到，大部分的研究者考虑的是翅片管的受迫对流，而对翅 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 片管自然对流的研究比较少，并且在为数不多的翅片管自然对流的研究中，翅片 管通常都是用来供热，制冷的很少。所以我们认为，应用于制冷的翅片管自然对 流的研究还是非常具有必要性的。对其结构参数进行优化并准确掌握翅片管的性 能不仅有利于提高制冷效率和整体性能，而且对改进翅片管形式，推出更加节能 节材的制冷设备有着重要的指导意义。 本课题即是以冷库中的冷却排管为研究对象，建立物理和数学模型，选择合 适的数值求解方法，通过在光管上布置不同形式翅片，求解库内的温度场和流场 分布，揭示库内的温度分布特性与流场特性，并对影响库内温度分布的各种因素 进行理论分析。 ( 1 ) 建立冷库及库内空气流动与换热的物理与数学模型。 ( 2 ) 采用适当的数值求解方法，利用f l o t h e r m 软件对翅片管单管在自然 对流情况下，分别在管壁恒温和恒热流条件下，改变其几何参数( 包括翅片高度、 翅片厚度、翅片夹角和翅间距) ，得到翅片管的散热量及与散热相关的指标。 ( 3 ) 研究各参数对传热的影响大小和影响规律。在对流场进行分析的基础 上，探讨此种翅片管的改进方法。 ( 4 ) 由于在冷库中布置管排更加具有实用意义，所以在单管研究的基础上， 我们研究管排在自然对流情况下，分别在管壁恒温和恒热流条件下，通过改变管 排数以及管排布置，得到翅片管的散热量及与散热相关的指标，分析其对传热的 影响大小和影响规律。 1 6 本章小结 在这一章中，阐述了本文研究的课题背景，介绍了国内外冷库及排管蒸发器 的发展现状，分析了国内外学者在翅片管方面的研究成果。在此基础上，以冷库 为研究对象，通过在光滑排管上布置不同形式翅片，求解库内的温度场和流场分 布，揭示库内的温度分布特性与流场特性，并对影响库内温度分布的各种因素进 行理论分析。 天津大学硕士学位论文第二章数值模型的建立与计算方法 2 1 概述 第二章数值模型的建立与计算方法 实验是实际现象中关键过程的合理再现和深化，是研究机理和规律的主要手 段，但数值模拟以计算机为基础把基本理论、模拟试验和装置设计有机结合起来， 从其研究的物理和几何参数可变的范围和方便程度以及节省费用、研究周期来 看，更有助于对客观规律的深化研究，在工程设计中有着积极的作用。 翅片管的散热在达到稳定后实际上可以看作是导热、自然对流换热与辐射换 热的复杂耦合问题，这里的“复杂 主要包括：( 1 ) 热边界条件复杂，翅片管与 空气的交界处导热与对流换热耦合；( 2 ) 换热系统的几何形状复杂；( 3 ) 换热方式 复杂，导热、对流与辐射同时存在。 对于复杂的换热问题进行数值计算求解，可以运用的方法是有限容积法。在 有限容积法中将所计算的区域划分成一系列控制容积，每个控制容积都有一个节 点作代表。通过将守恒型的控制方程对控制容积做积分来导出离散方程。在导出 过程中，需要对界面上的被求函数本身及其一阶导数的构成作出假定，这种构成 的方式就是有限容积法中的离散格式。用有限容积法导出的离散方程可以保证具 有守恒特性，而且离散方程系数的物理意义明确，是目前流动与传热问题的数值 计算中应用最广的一种方法。据m a n o l e 与l a g e 对1 9 9 0 1 9 9 2 三年内发表在i n tj h e a tm a s st r a n s f e r 及a s m ejt r a n s f e r 两杂志上论文的统计【3 剐，用有限容积法计算 的论文占总数的4 7 。 在此基础之上，本文针对冷库中的翅片排管，应用f l o t h e r m 软件将对其 导热、自然对流换热及辐射换热的耦合传热问题进行数值计算，研究网格的划分 及边界条件对温度场和速度场的影响规律，试图得到自然对流条件下研究对象的 传热规律，以便分析比较翅片管各个结构参数对传热性能的影响。 2 2f l o t h e r m 简介 f l o t h e r m 是一套由电子系统散热仿真软件先驱英国f l o m e r i c s 软 件公司开发并广为全球各地电子系统结构设计工程师和电子电路设计工程师使 用的电子系统散热仿真分析软件。应用f l o t h e r m 软件可以对系统散热、温度 天津大学硕士学位论文第二章数值模型的建立与计算方法 场及内部流体运动状态进行高效、准确、简便的定量分析。采用有限容积法求 解器，可以在三维结构模型中全面分析系统的热辐射、热传导、热对流以及流体 温度、流体压力、流体速度和运动矢量等。强大的f l o m o t i o n 后处理模块可 以将运算后的温度场、速度场、压力场等数据以平面云图、等势图、表面温度分 布图和流体运动三维动画等形式直观方便地显示出来。极其灵活的多层嵌入式 局部化网格技术，在确保计算精度的同时大大提高计算效率和处理复杂结构能 力。 2 3 翅片管强化传热分析 2 3 1 翅片管的传热过程 自然对流条件下的翅片管传热是一种典型的复合传热过程，包括导热、对流 和辐射换热三种传热方式。散热器外表面与环境空气之间的对流换热以及与四周 壁面之间的辐射换热同时进行，这时散热器的复合换热量可以表示为： q = q c + q r ( 2 - 1 ) 式中：q c 一对流换热量，w ； q r 一辐射换热量，w ； 其中，对流换热量为： q c = r l f h 。互( f o - t 。) ( 2 - 2 ) 式中：r ，一为散热器的肋效率； h ，一散热器外表面的对流换热系数，w ( m 2 ) ； f 一散热器的外表面面积，m j ； t 。、t 。一分别是散热器外表面平均温度、周围空气的温度，； 公式( 2 2 ) 中的h ，在一般教科书或设计手册中是给定的，而在我们的问题中， 要增大散热量，可以增加f 和h 。，然而矗。为未知量，需要我们通过数值模拟求 出。 散热器外表面面积只与周围环境任一壁面面积f 2 之间的辐射换热量，可按下 式计算： q r = c 。鼻亿4 一z ) ( 2 3 ) 式中， = 一 c 天津大学硕士学位论文第二章数值模型的建立与计算方法 c o = 5 6 7 x1 0 - 8 w ( m 2 k ) ，为黑体辐射系数；e 称为换热表面对周围环境的辐射 系数；t l 、t 2 分别为散热器换热表面和周围壁面的绝对温度；一：为f l 对f 2 表面 的角系数，在数值上只取决于两个表面的大小、形状、距离和相对位置等几何因 素，为无量纲数；占。，乞为f i 署i i f 2 表面实际物体的黑度。 2 3 2 翅片管的强化传热机理 根据传热学的基本关系式，我们知道，增大传热量可以通过提高传热系数、 扩大传热面积和增大传热温差三种途径来实现。但是，缸要受到系统实际运行 条件的制约，可以调整的空间很小，不能作为增强传热的参量考虑，只有通过改 变传热面积和传热系数来强化传热。扩大传热面积是增加散热量的一种有效途 径。扩大传热面积以强化传热，并不是简单地通过增大设备体积来扩大传热面积， 而是通过传热面结构的改进来增大单位体积内的传热面积，从而使得换热器高效 而紧凑。采用扩展表面是提高单位体积内传热面积最常用的方法。采用扩展表面 后，不仅增加了换热面积，同时从式( 2 3 ) 可以看出，增加能够对外界进行有效辐 射换热的面积，可以提高辐射散热量，因此如果几何参数选择合适，还能提高传 热系数，但与此同时也会带来流动阻力增大等问题，所以在选用扩展表面时应综 合考虑。导热热阻是由构成传热结构中各个分项热阻叠加的结果，反映了传热的 强弱。在管子壁厚比较小且没有结垢的情况下，稳定运行时的传热系数k 可由 下式近似计算： 三：土生+ 生i n 生+ 上 ( 2 4 ) k h i d i 2 a d ih 。 由上式可知，由于金属的导热系数五很大，基管壁厚又很薄，其热阻很小， 故可忽略不计。因为管外的换热系数h 。比管内的换热系数h ；小的多，所以管外 的传热热阻便成为影响其传热量的主要热阻。由此我们得到提高传热系数的正确 途径是设法增加与空气接触的外表面的换热系数。而表面换热系数是外表面对流 和辐射两种换热方式综合的结果，所以，要提高表面换热系数，就必须增强散热 器外表面的对流换热和辐射换热。 2 4 物理模型和几何参数 本文研究对象的几何示意图如图2 1 和图2 2 所示。由于所研究的对象为冷 库中的冷却排管，所以翅片管水平放置，考虑到冷库除霜的方便，翅片管的形式 分别选择如图所示的两翅翅片管和三翅翅片管。定义翅片管长度为l ，翅片管基 管外径为d ，翅片高度为h ，下部两翅片夹角为0 ，翅片厚度为万。如图2 3 所 天津大学硕士学位论文第二章数值模型的建立与计算方法 示为翅片管营排的结构示意图，定义两翅片管间距为s 。 翅片与基管是由铝台金6 0 6 3 构成的整体，铝合金6 0 6 3 的物性参数为：密度 27 1g c m 3 ，热传导率o4 8c a l c ms ，弹性率7 0k g r o m 2 x 1 0 3 ，剐性率2 7k 1 1 1 1 2 1 2 1 0 3 。 何示意图 图2 - 2 三翅翅片管几何示意图 图2 - 3 管排几何示意图 j 舅涛 泛7 么。x 天津大学硕士学位论文 第二章数值模型的建立与计算方法 翅片管长度l = 5 0 0 m m ； 翅片管基管外径d = 2 5 m m ： 监测点距翅片管基管中心为5 0 0 r a m 。 翅片高度h 、下部两翅片夹角0 ，翅片厚度万及两翅片管间距s 在一定范围 内变化。 2 5 数学模型的建立 本文的研究f 口- j 题为翅片管在冷的封闭空间内的自然对流，为了求解翅片管及 其周围流体的温度分布，进行翅片换热分析，对翅片管做以下假设： ( 1 ) 整个计算区域温度和速度不随时间发生变化，即导热是稳态的； ( 2 ) 翅片管所用材料均匀，其物性参数为常数； ( 3 ) 翅片与肋基间无接触热阻； 翅片管水平放置在所设定的空间中，翅片管基管为恒壁温l = c o n s t 或者恒 热流q