（工程热物理专业论文）纵向翅片管自然对流换热特性的研究.pdf

摘要 翅片管的强化传热在采暖散热器等设备上有着广泛的应用。研究翅片管换热 规律既有较高的理论价值，又有很好的实际应用价值。 本文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。 上述研究为翅片管散热器的设计提供了有益的理论依据，对翅片管换热器的 生产和实际应用具有重要的指导意义。 关键词：翅片管自然对流数值计算 a b s t r a c t t h ef i n n e dp i p eh a sb e e nu s e dw i d e l yi nt h eh e a tt r a n s f e re q u i p m e n t ，s u c ha s h e a t i n gr a d i a t o r t h er e s e a r c ho nt h eh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c so ff i n n e dt u b eh a s n o to n l yh i g i l l yt h e o r e t i cv a l u e ，b u ta l s ov e r yi m p o r t a n tu s a g ev a l u e s o m en u m e r i c a ls i m u l a t i o no nt h eh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c so ff i n n e dt u b eh a s b e e nd o n e a c c o r d i n gt ot h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h e v e l o c i t yc o n t o u r sa n d t e m p e r a t u r ef i e l d sa r o u n df i n n e dt u b e si nav a r i e t yo fg e o m e t r i e sa r ep r e s e n t e d r e s p e c t i v e l y t h er e s u l t ss h o w t h a tt h ec l o s e df i n n e dt u b ei sm u c hm o r ee x c e l l e n tt h a n t h eo p e n i n gf i r m e dt u b eo ng r o s sh e a t ，h e a to f u n i tv o l u m ea n dm e t a lt h e r m a li n t e n s i t y w i t ht h es a r f l eg e o m e t r i cp a r a m e t e r s ，t h e nt h ec l o s e df i r m e dt u b ew i t hb o t hu n i f o r m w a l lt e m p e r a t u r ea n du n i f o r mh e a tf l u xb o u n d a r yc o n d i t i o n sa r ee m p h a s i z e di nt h i s s t u d y , t h ec h a n g i n gr u l e so fn a t u r a lc o n v c c d o nc o e f l q c i e n t , m e t a lt h e r m a li n t e n s i 职 g r o s sh e a t ，h e a to f u n i tv o l u m ea n dh e a to f u n i ta r e aa st h ec h a n g eo f h e i g h ta n da n g l e 醪f i na r ep r e s e n t e d t h ec r i t e r i o ne q u a t i o no fc l o s e df i n n e dt u b ei sd e r i v e df r o mt h e r e s u l t so fn u m e r i c a lc o m p u t a t i o n i ti sa l s of o u n dt h a tt h eh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c e w i t hu n i f o r mw a l lt e m p e r a t u r eb o u n d a r yc o n d i t i o ni sb e t t e rt h a nt h a tw i t hu n i f o r m h e a tf l u xb o u n d a r yc o n d i t i o nu n d e rt h e $ a n l et e r m s ( f i nh e i g h t ，a n g l ea n dw a l lm e a n t e m p e r a t u r e ) ， t h ee x p e r i m e n tt a b l eo nh e a tt r a n s f e fo ff i n n e dt u b ei se s t a b l i s h e dt o t e s tt h e v a l i d i t yo fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n 1 1 1 eh e a ta n dt e m p e r a t u r ed i s l r i b u t i o no ft u b ea n d t h ea i ra r o u n dt u b ea r cm e a s u r e d t h er e s u l to fe x p e d m e n th a sb e e nc o m p a r e dw i t h t h a to f n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；a n dh a sv e r i f i e dt h ec o r r e c t n e s so f n u m e r i c a ls i m u l a t i o n a tl a s tt h ef u n c t i o n so f g r o s sh e a f h e a to f u n i tv o l u m ea n dh e a to f u n i t 辩aa r e e s t a b l i s h e d t h er e l a t i o n sb e t w e e nf i nh e i g h ta n di n c l u d e da n g l ec a l lb eo b t a i n e d w h e nt h ep a r a m e t e r sh a v ee x t r e m ep o i n tw i t ht h ef i x e dh e i g h ta n da n g l e a tt h es a m e t i m e ，t h er e l a t i o nf u n c t i o n sa r ef i t t e d t h ea b o v er e s e a r c hw i l lb eh e l p f u lt ot h ed e s i g no ft h eh e a te x c h a n g e ro ff i n n e d t u b e ，a n dw i l ls u r e l yb es i g n i f i c a n tf o rt h em a n u f a c t u r ea n du s a g eo f t h e m k e yw o r d s ：f i n n e dt u b 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 lc o m p u t a t i o n h ， 护 1 ， ， 曰 a 符号对照表 运动粘度，m s ； 艿 速度，m s 基管直径，m h 翅片高度，m 0 热扩散率，m 确t 普朗特数，口 a t 温差，k t 平均温度， 口 重力加速度，9 8 m l 时 对流换热面积，时 总散热量，矿 总传热系数， w m 2 k 对流换热系数， w m 2 k 平均对流换热系数 w m 2 k 柱坐标r 方向 柱坐标秒方向 动力运动粘度 魄| m s 瑞利9 1 3 a a t 盯0 壁面 柱坐标，方向 柱坐标口方向 面积 脚标 4 p g g r g ： ， a z 矿 翅片厚度，硼 基管高度，“ 翅片夹角 温度，k 温差， 温度， 体积膨胀系数。l 厂r 换热面积，时 密度k g m 2 热流密度， 格拉晓夫数， g a a t h 3 己，。 体积，m 3 平均热流密度，形 柱坐标z 方向 压力，尸口 导热系数， w ( m k 1 无穷远处 柱坐标z 方向 体积 p 吼l口n盯， g f q k 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 | 亍研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 乓他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 | i i c 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 取担。 论文作者签名：盟 日期：型 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 碧或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 阳借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 殴据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 挚位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 仑文作者签名：到：垂 导师签名：澧壁! 圣 日 期：塑s ：s 墨 山东大学硕士学位论文 1 前言 1 1 课题的背景和意义n m l 强化传熟技术是指能显著改善传热性能的节能新技术，其主要内容是采用强 化传热元件，改进换热器结构，提高传热效率，从而使设备投资和运行费用最低， 以达到生产的最优化。 科学技术的飞速发展和能源的严重短缺不断向强化传热提出了新的要求， 因此强化传热研究的深度和广度日益扩大并向新的领域渗透和发展，世界各主要 工业国都对此进行了大量的研究开发工作。 应用强化传热技术可达到下列任一目的：( 1 ) 减小换热器的传热面积，以减 小换热体积和重量：( 2 ) 提高现有换热器的换热能力；( 3 ) 使换热器能在较低 温差下工作；( 4 ) 减少换热器的阻力，以减少换热器的动力消耗。上述目的和要 求是相互制约的，要同时达到这些目的是不可能的，因此，在采用强化传熟技术前， 必须首先明确要达到的主要目的和任务以及为达到这一目的所能提供的现有条 件，然后通过选择比较，才能确定一种合适的强化传热技术。 1 2 翅片管的强化传热 在表面式换热器中，单位时间内的换热量q 与冷热流体的温度差t 及传热 面积f 成正比，即q = k f a t ，式中，k 为传热系数，是反映传热强弱的指标。从 上式可以看出，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“1 。增大传热温差强化传热的途径，只能在有限范围内采用。 所以我们就不讨论了。 扩大传热面积是增加传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。采用扩展表面传热面是 提高单位体积内传热面积最常用的方法。扩展表面传热已有多种形式，如翅片管、 螺纹管、板翅式传热面等。采用扩展表面后，不仅增加了换热面积，如果几何参 数选择合适，同时还能提高换热器中的传热系数，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换热面时应综合考虑。 提高传热系数是增加传热量的另一种有效途径。在换热器的管子壁厚比较小 山东大学硕士学位论文 且没有结垢的情况下，换热器稳定运行时的传热系数k 可由下式近似计算： k = 1 貔l + 6 | 九七v a l 式中：a 。一热流体与管子壁面之间的换热系数； n 。一冷流体与管予壁面之间的换热系数； 6 一管壁的厚度； 九一管材的导热系数。 对于金属传热管，由于导热系数九很大，管壁厚度很小，上式中6 这一项常 可忽略不计，这时传热系数的计算式为：l 七= 1 肛。+ l a ：。 由上式可以看出，提高k 值可以通过提高和口：来实现。同时当和相 差较大时，k 值主要由较小的那个换热系数决定，这表明提高较小的那个换热 系数对强化传热是十分有利的。 在换热器及许多热设备中，传热壁面两侧流体的对流换热系数的大小往往是 不均衡的。例如，采暖散热器中，供暖散热器的内部为热媒通道，流动着温度较 高的蒸汽或热水，而外侧是温度较低的流体空气。管外的换热系数就比管内 的小的多，管外的传热热阻便成为影响其传热量的主要热阻。 根据前面的分析，要增加传热量应该设法增加热阻大的侧的换热系数。比 如；在采暖散热器中，针对空气侧换热系数弱的情况下，可以采用增加空气的流 动速度、加强壁面的扰动等方法来加强空气侧的换热系数。在这种情况下，管外 空间传热的增强常采用扩展表面积即翅化表面来实现。翅化表面不仅能增加参与 对流换热的总有效葱积，减小该侧的传熟热阻，面且可以使翅侧的壁蘑湿度更接 近于同侧的流体温度。扩展表面的应用是缩小换热器体积，减轻换热器重量，提 高换热器效率的重要措施。翅化表面在换热器中常见的形式是肋化，即管外加翅 片的形式。目前，作为一种高效的换热元件，翅片管在空冷器散热器等多种换热 设备中已得到了广泛应用，也正因为如此，翅片管的研究和设计也日益广泛。 1 3 翅片管的散热过程分析 下面我们以供暖散热器为例，分析一下翅片管的散热过程“1 。 换热设备工作时，其传热过程往往是由导热、对流和辐射三种基本传热方式 中的两种或三种同时作用的结果，传热学称之为复合传热过程，供暖散热器的工 山东大学硕士学位论文 _ _ _ _ 一i - - _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ - - _ - _ - - - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ - 作就是一种典型的复合传热过程。 在稳定的工况下，一个复合传热过程，总可以看做是由各个传热方式独立作 用的结果，即复合传热的结果也就是它们单独独立作用的总和。散热器外表面与 环境空气之间的对流换热以及与匹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 + q ， ( 卜1 ) 式中：q 对流换热量，w ； q 辐射换热量，w 。 对流换热量为： q = 口。f l ( t ，一，) ( 1 2 ) 式中：f 一散热器的外表面面积，i i l z ； t ，、，分别是散热器外表面与周围空气的温度， 口。散热器外表面的对流换热系数，w ( m 2 ) 。 散热器外表面面积e 与周围环境任一壁面面积e 之间的辐射换热量，可按式 ( 卜3 ) 计算； q = g 互( 掣一霉) ( 卜3 ) 式中：q 2 互i c o 曩互 毛一2e6 2 ( 1 - 4 ) = 5 6 7 1 0 “w ( m 2 一k 4 ) 为黑体辐射系数。 e 称为换热表面对周围环境的辐射系数，五，五分别为散热器换热表面和周围壁 面的绝对温度，e 为周围环境任一壁面的表面积。- 2 为e 对最表面的角系数， 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。毛，岛为五和五表面实际物体的黑度a 为计算统一，将式( 卜3 ) 写成与对流换热公式相同的形式，为此，可以近似 山东大学硕士学位论文 认为周围壁面的温度就等于空气环境温度乃，式( 】一3 ) 可以表示为： q ，= 口，e ( r ，一t ) ( 1 5 ) 式中： 口，= 1 c a r j ；- _ t ? ) ( 1 6 ) 口，称为辐射换热系数，w ( m 2 c ) 。 将式( 卜2 ) 和( 1 5 ) 代入式( 卜i ) 串得； q = ( 口c + g f ，) e ( f - 一0 ) = a f , ( t v t s ) ( 1 - 7 、 式中：口= a 。+ 口，称为总换热系数，它等于对流换热系数和辐射换热系数之和。 由式( 1 ，7 ) 可以看出，通过提高换热系数口，增大传热面积只，都可以增大散 热量q 。当基面宽度一定时，假定传热温差( f ，- t ，) 和换热系数a 不变，只有增 大传热面积才能增加散热量。增加肋片的数量就可以增加传热面积，但是肋片的 数量增加之后，肋阃距必然减少，传热系数就会降低。 提高翅片的高度也可以增加传热面积，但是增加高度会使翅片顶部的局部换 热系数降低，导致平均换热系数降低。此外高度也会影响从翅片基部到端部的温 度差，高度越大，温差也越大。导致翅片表面与周围换热介质的平均温度差就随 之降低，不利于换热， 翅片越薄，单位长度上翅片的数量就会越多，从而增大换热面积，强化翅片 的换热，翅片厚度增加，翅片表面和周围空气的平均换热温度差就会降低，不莉 于换热，但是，实际应用中翅片的厚度往往受到工艺水平的限制。 1 4 评价翅片管优劣的标准 翅片管种类繁多，而且还在不断的出现新的品种，如何评价一种翅片管的优 劣，对挨煞设备的优化设计具有指导性的意义。事实上用户的需求是多方面的 随着人们生活水平的提高，特别对于家庭用的换热设备，如采暖散热器，有时候 它还必须满足人们的审美观，舒适度，方便耐用等要求。对厂家来说，一种优良 的换热设备应该具有良好的热工性能，安装和维修方便，工艺简单，经济性好的 特点。总的来说，评价翅片管的优劣应该从以下几点考虐“： 山东大学硕士学位论文 。i l l i i _ _ - _ - _ _ - _ _ - _ a 热工性能 作为换热最重要的换热元件，翅片管的热工性能是一个重要的指标，这一指 标应以翅片管在标准状态下换热量来评价，以及与换热量有关的传热系数和金属 热强度。 具体采用的参数主要有传热系数、金属热强度和换热量。当传热面积和温差 一定的时候，用传热系数比较和用换热量比较是一致的。然而，当传热面积和温 差并不一定的时候，传热系数并不能说明某种翅片管的好坏。由于传热系数k 是 散热量q 与散热面积f 和温差r 的比，即，k = q l ( a t f ) ，一般在计算传热面 积时总会产生误差，就是在传热面积计算非常准确时，传熟系数也不能说明热工 性能的好坏。单根光管就是在自然对流条件下传热系数最大的，但是，显然不是 最好的。因此，加翅片是增强传热的一种有效方法，加翅片后既增强了传热能力， 在一定情况下还可以提高金属热强度。可是加翅后由于肋化效率小于l ，而计算 表面积时将翅片面积均记入换热面积，这必然会造成加翅后强化了传热却降低了 传热系数。如钢制板型散热器，不加背面对流片时传热系数为l o 2 3w i ( m 2 ) ， 而加了对流片后传热系数却变为7 2 5 w i ( m 2 ) 。而散热量却由原来的8 5 8 w 提 高到1 0 0 0 w 。由于对流片是由厚0 5 m m 的钢板加工的，加翅后金属热强度也由 1 0 2w ( 豫) 变为1 0 4 w i ( k g ) ，可见加翅后，虽然传热系数降低了，但 散热量和金属热强度却提高了。 与换热量有关的另一个参数是金属热强度，它的大小说明了单位金属重量的 换热效率。当换热量和工作压力都相同时，重量大，金属热强度就低。该值可以 用来衡量产品对金属利用的热效率。研制和改造换热器应该注意提高该值，以节 省金属，降低成本。 b 美观程度 由于有的换热设备是用于室内的，比如前面所提到的采暖散热器，它的外形 如何对室内的美观起到很大的影响。近些年来，随着建筑水平的提高，人们对美 观程度的要求越来越高。美观包括外形、表面颜色能与建筑装饰适应、协调，除 了这些还有加工时的外形质量等。一些要求较高的建筑物，对采暖散热器的要求 山东大学硕士学位论文 _ i i i - - _ - 更侧重于外形美观。国外有的同类散热器的外罩用较厚的钢板整体冲压成型，以 求取得挺拔、平直的外观质量效果，美观耐用这对我们有定的参考价值。当 散热器明装时，对外形美观要求的程度要高，在热工性能达到基本要求时，就可 以注重考虑其外形的美观程度。当散热器安装或加罩时，对外形的美观程度要求 则较低一些，而要在结构上注意有利于放热。 c 安装使用 换热设备在安装使用上对产品的要求条件一般包括以下几点：首先是安装方 便，能灵活组装和连接；其次要占地面积小、维修方便；满足系统运行的压力、 耐蚀要求，能够安全运行；易于清除灰尘，满足卫生条件。 d 经济性 经济性中一个很重要的因素是换热设备的使用年限。经济性的另一个因素是 材料的成本和来源。 e 工艺性 产品应有可行的工艺保证质量，而且力争工艺简单，但是不能因简化工艺而 降低产品的质量。另外工艺性还应包括便于自动化生产。 1 5 翅化形式 翅片的型式很多，使用也很普遍，因应用场合不同而不同。下面着重介绍管 外翅片的形式。管外使用翅片的形式通常有以下几种【2 】【4 】： 纵向翅片：在管外壁或平面外壁沿其长度方向的翅片。是使用较早的一种外 翅片形式，这种翅片的结构特征是：翅片基为竖直平面或圆管，翅片为上下竖直 的平板，多片竖翅组成平行翅片列。目前我国的铸铁多翼型散热器和柱翼型( 辐 射对流型) 散热器，以及还在生产的铸铁长翼型散热器中的翅片都属于这一种( 见 图1 1 ) ，本文研究的翅片形式也属于这类。 环形翅片，也嚼圆翅管。在热媒流通的圆形管道上加工环形翅片，也是采 用较为广泛的一种外翅片形式。圆翅管束的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丽不造成翅片效率的下降。铸铁圆冀型散热器和翅片管散热 元件都是采用圆管环形肋( 见图1 2 ) 。 板式翅片，也叫管板式翅片。在热媒流通的圆形管道上加装矩形翅片，是又 山东大学硕士学位论文 一种使用广泛的外翅片形式，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( 见图l - 3 ) 。 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 片以及锯齿翅片。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，破坏层流底层来强化传热。 图卜1 纵向翅片实例( 长 b 1 口 ( - ) 爆毖翅营 r j i 管, ( c ) 扇形翅臂，( d ) 半圆翅臂 1 6 他人的研究情况 图i - 2 圆翅管及其改进翅管实例 图卜3 板式翅片换热器示意结构 山东大学硕士学位论文 随着生产的发展，翅片形式层出不穷，许多学者对此做了一定的研究，得到 了许多新的翅片结构或优化的结构参数，这些结构对于翅片管的优化设计有着重 要的意义。 文献 5 】中，主要探讨了具有对流、辐射及导热同时存在的矩形直肋片换热 问题的解析解法。通过分析计算表明，在进行肋片换热计算时不应忽略辐射换热 的影响，否则会导致肋片表面计算温度高于实际温度。文中给出了一种能够求解 对流、辐射及导热同时存在时肋换热的线性化解析方法。利用该方法得到了： ( 1 ) 综合换热作用下矩形直肋中温度分布的公式i ( 2 ) 肋体散热量计算式； ( 3 ) 综合换热作用下肋效率表达式。 文章分析了在极限换热情况( 纯对流换热和纯辐射换热) 及一般换热情况下 影响肋效率的因素。指出在设计散热器时必须同时考虑辐射项川和对流项m 的 影响，才能获得最佳肋效率。该线性解析方法对其他形状肋的换热问题也可以推 广应用。主要分析计算过程如下； 0 图1 4 直肋几何尺寸及坐标系 建立如图l - 4 所示坐标系，等截面直肋的温度分布的微分方程为； ：, 4 d 出2 t ：= 掰p r 矽+ 玉砸一) 边界条件为：x = 0 ，t = 瓦5 若肋端绝热，石。三，皇三。0 。 n x ( i _ s ) 以肋基绝对温度瓦为基准，对方程( 1 - s ) 无因次化，取口= r ，瓦，x = x l ， 山东大学硕士学位论文 0 = t 瓦，以= l 瓦带入方程( 1 - 8 ) 中可得： 鬲d20=可6aut?；妒,4一叫+百hul2妒dx 一 2 朋 、7 从、 “ 0 - 9 ) 其中， a 矩形直肋横截面积；i 肋的高度； i 卜一肋的周长；占肋的黑度； 五肋的导热系数； 肋表面对流换热系数； l 环境温度；瓦肋基温度； r 环境辐射温度，不一定等于l ； o r 斯蒂芬一波尔兹曼常数，5 6 7 1 0 - 。w ( m 2 k 4 ) 。 令f = 譬，m = 百h u l 2 嘲1 - 2 劂慨 矛d 2 0 = n t ( 0 4 - 0 4 ) + 虬p 一以) ( 1 - l o ) 边界斛即) - 1 ，矧。枷 利用线性近似解法解出口，即，对流、辐射及导热同时存在时直肋中的无因 次温度分布规律。此处的线性近似解法原理是利用了泰勒中值定理，将f ( o ) 表 示为一个妒一弓) 的多项式和一个拉格朗日余项r 。之和，按照采暖通风与空气 调节设计规范g b j l 9 8 7 一般民用建筑物时没计算温度1 8 ，热媒温度为9 5 c ， 焉s o ，0 6 6 ，简化处理以后，将口替换成关于口和扫豹函数，其中否：( e - j _ 2 ， 方程( 1 - 1 0 ) 就可以化成一个常系数二阶线性微分方程，解出0 ，即为对流、辐射 及导热同时存在时直肋中无因次温度分布的规律。 根据g = 一a ad t ，o 求出实际散热量。 a x 一朋到 利用，7 = 瓦瓦；西万= 乒求出肋效率 山东大学硕士学位论文 文献 6 】中，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l 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y = 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。 它的主要结果是：( 1 ) 得到了肋片( 梯形) 中的温度分布。( 2 ) 各个参数对肋片 性能的影响。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单个肋片的散热，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。肋基温度不太高时，采用导热系数很大而价格昂贵的铜或铝是 不经济的。 文献【7 】从理论上分析了自然对流方式下螺旋翅片管簇散热器的翅高、翅厚、 管径、翅间距和罩高对散热器热工性能的影响，翅片问的对流换热系数利用已有 的竖平板通道的自然对流换热公式1 计算： n u ：( 9 1 r 4 2 + 2 8 3 4 _ y 7 2 r 。= e g 卢( ，- t 。) 6 4 ( h v ) 采用修正该公式中竖板高度的方法及光滑圆管自然对流换热公式，给出了计算螺 旋翅片管簇散热量的理论计算方法，利用计算机分析了各影响因素对散热器换热 量影响的程度，以金属热强度最大为优化目标，给出了该类型散热器的最佳结构 参数族。 文献【8 】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，表明算法可行。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。采用内节点法对计算区域进行离散，在临近翅片的区域网格划分较为 稠密。对流一扩散方程的差分在层流稳流下采用混合格式，在层流非稳态下采用 中心差分格式。为了解决流场计算过程中不合理的压力场检测问题，引进交错网 格。分别研究努谢尔特数、阻力系数沿翅片的分布情况。 文献【9 】采用高雷诺数k 一占湍流模型，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，该种型式的换热器具有良好的流动和 山东大学硕士学位论文 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 s 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。 文献【lo 】应用p a n t a n k a r 等人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。计算范围包括了层流和湍流。所得 计算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 算中采用的数值方法为控制容积上的有限差分法，将管壁、翅片和流通空间作为 一体耦合考虑。 文献 1 1 】采用常规七一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 ，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。 文献 1 2 】用三维适体坐标的网格生成技术对翅片管散热器进行了低速下流 动和换热的数值模拟，得到了流速与换热系数的关系，以及不同流速下翅片管流 动与换热的温度场、速度场和速度与温度梯度的夹角场，并首次利用场协同原理 进行了分析。结果表明：当流速很低时，速度与换热系数几乎成线性变化，场的 协同性很好；随着速度的增加，场的协同性变差，换热系数随速度增加的程度减 弱。 山东大学硕士学位论文 文献【1 3 】通过对矩形翅片滴形管、矩形翅片椭圆管、皱折钢翅片绕钢管、整 体轧片铝管及钢翅片穿钢管等几种翅片管管外放热和气流降力的试验研究，以及 对其单位受热面积和单位压降的传热量的分析比较，得出了矩形翅片滴形管为最 佳的结论。文中还提出了翅片管单管放热的准则式和阻力系数准则式。 文献 1 4 1 对圆形钢串片散热器自然对流的规律进行了试验研究，通过对试验 数据的整理得到肋壁局部换热系数的分布和肋壁平均换热系数与结构尺寸之间 的经验公式： = 4 砧 式中，彳，七为回归系数。相关系数在0 9 8 以上。 并得到了自然对流换热的准则方程式： n u 。= 1 3 9 2 9 7 r a o 2 2 2 e 。0 嗍3 q 以体积最小，散热量最大为目标函数用多目标数学规划的方法得出了钢串片 散热器的最佳结构尺寸。 文献 1 5 1 针对现在的曲线拟合法在传热试验中的一些缺点，提出一种新的拟 合方法，并把它应用到翅片管传热试验上。新型曲线拟合法的特点之一是限定条 件少，即使换热面两侧的对流换热规律都未知，也可拟合得到换热热阻较大一侧 的对流换热系数及其规律性。 文献 1 6 】在风洞实验台上，对椭圆矩形翅片管束和圆管圆形翅片管束进行实 验。用对比性实验归纳出了换热与阻力的无因次经验公式，对于管内蒸汽冷疑、 管外空气横掠管束的工况，椭圆矩形翅片管具有较优的换热与阻力性能。最后， 讨论了一些有关椭圆矩形翅片管冷凝器的优化问题。 文献【1 7 】利用有限元优化技术系统的研究散热器结构参数对散热量以及散 热器芯体重量的影响规律。并以散热器重量最小为优化目标，在满足散热量要求 的前提下，应用对散热器的结构参数进行了优化设计，并给出了优化设计前后的 性能对比分析。 文献【1 8 】研究了在辐射和对流条件下矩形肋片的传热，应用迭代法进行数值 求解，求出肋片沿肋梯高方向的温度分布；进一步分析了导热系数、辐射率、肋 根温度、肋高和肋间距等参致对肋片传热的影响比较了考虑辐射矩形肋、三角 山东大学硕士学位论文 形肋和不考虑辅射辐射的梯形肋的传热情况 文献 1 9 】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 给出了优化益线图。 文献p o 对镀层的圆环翅片管在考虑镀层厚度的情况，并在进行了一定的假 设基础上进行了分析。结果表明，导热系数高的镀层材料可以来提高换热效率。 此方法对换热系数低且具有大的翅尖的薄翅片特别有效。文中还给出了考虑镀层 和不考虑镀层的比较图。 文献【2 1 】分别在翅片管夹角、b i o t 数和空气湿度变化的条件下，在于、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 。 文献【2 2 l 对矩形翅片的汽一汽换热器进行了研究，该换热器采用一种新的生 产工艺，翅片是通过玻璃和金属混合的焊接材料在高温情况下焊接和固定在翅基 上的，玻璃的优点是它可以形成一层保护层，保护表面不受腐蚀。同时对换热器 的性能进行研究，发现随着翅片密度增加，传热系数和阻力都增加，同时给出了 r e 数c o l b u n 因子、摩擦因子的关系图。 综上所述，前人对翅片管的研究已经取得了一定的发展，为我们进一步研究 奠定了一定的基础。但是仍有一定的不足，有的研究只进行了数值计算，做了很 多假设，与实际情况有一定的区别，不能做出正确的结论。另一方面，由于翅片 的形状各式各样，研究人员对不同的换热实际进行简化得到不同的数理模型，但 还有很多从工程实际中抽象出来的模型有待研究。 通过以上的文献，可以看到目前对翅片管的研究主要集中在空气横掠圆管或 椭圆管的传热与阻力的研究，对纵向翅片管的研究为数甚少，对封闭的纵向翅片 山东大学硕士学位论文 - _ _ _ _ - _ - i i i _ _ _ _ _ _ _ _ - - i - _ - - _ _ 管的研究，目前还没有发现有文献报道。另外，对翅片管的研究大多是在强迫对 流下的研究，对空气流速不高时自然对流的情况研究不多。 1 7 本文的研究工作 本文针对上面的分析，提出了一种新型的纵向封闭翅片管，对它的传热性能 进行研究。 首先采用数值计算的方法对翅片管自然对流情况下，分别在基管恒壁温和基 管恒热流条件下，通过改变翅片管的几何参数：翅片高度z 、翅片夹角。和翅片 形式，通过数值计算求出翅片管及其周围空气的温度场和速度场。 其次在数值模拟的基础上进行实验，用热电偶测量周围的温度场，同时与红 外测温仪测出的温度做一下对比，最后根据热电偶和红外测温仪测量的结果，获 得翅片管及其周围空气的温度分布。 最后根据实验，通过数据分析验证模拟结果的准确性，同时根据模拟和实验 的结果确定换热的准则式。在数值模拟和实验的基础上选取合适的目标函数，对 翅片管的结构参数进行讨论，以期改善翅片管的外形结构，提高翅片管的散热性 能。 前人对翅片管的研究大致可分为两类：一是采用实验手段，在一定范围内改 变翅片的结构尺寸，比较其传热性能，从而得出散热片的优选结构尺寸和优选操 作参数；二是采用数学方法，对某一具体情况推导出偏微分方程，简化其边界条 件，求其数值解。在对翅片管换热过程的分析和前人所做研究的基础上，本文采 用数值计算和实验研究相结合的方法对翅片管进行了传热分析和优化，这种方法 不同于以往文献。 山东大学硕士学位论文 2 数值模型的建立与计算方法 2 1 概述 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稳态导热、自然对流换热与辐 射换热的复杂耦合问题，这里的所谓“复杂”主要包括以下几方面内容：( 1 ) 热 边界条件是复杂的，翅片管与空气的交界处导热与对流换热耦合；( 2 ) 抉热系统 的几何形状是复杂的，封闭翅片形成的通道截面是复杂的；( 3 ) 换热方式是复杂 的，导热与辐射同时存在，辐射与对流同时存在。 对复杂换热问题进行数值计算求解的方法主要有有限差分法。有限差分法求 解耦合问题有两种主要的方法，即分区求解边界耦合方法及整体求解法例。这里 我们采用了整体求解法，所谓整体求解法，即把不同区域中( 如：固体和流体) 的过程组合起来，作为一个统一的换热过程进行求解。为此，需要找到适合于不 同区域的通用控制方程。这样不同物质区域耦合界面处于求解区域的内郝，采用 控制容积法来建立离散方程时，界面上的连续性条件一定满足。整体求解法的优 点在于省去了不同区域之间的反复迭代。使计算时间大大缩短。但是，若要得到 正确的解，则必须保证在求解过程中，耦合界面上两种不同物质的温度及热流连 续的条件得到满足。 迄今为止，已有不少成功运用整体求解法对耦合换热问题进行数值计算的例 子。在此基础上，本文应用p h o e n i c s ( 3 3 版本) 对换热器翅片管的稳态导热 与自然对流换热的耦合传热问题进行了数值计算，研究了网格的划分及初始条 件、边界条件等对温度场和速度场的影响规律。得到自然对流下研究对象周围的 温度场及速度场，从而分析比较了各种不同结构的翅片管的传热性能。 2 2p h o e n i c s 简介辨】 p h o e n i c s ( 3 3 ) 是英国c h a m 流动与传热模拟开发研究公司推出的模拟 流动、传热、反应、燃烧过程的通用计算流体力学( c f d ) 软件，该软件以有限 山东大学硕士学位论文 容积法为基础，采用交错网格或非交错网格，通过s i m p l e s t 方法( s i m p l e 法 的引申) 进行压力速度联解，它可以求解一维至三维、稳态或非稳态、可压缩或 不可压缩、亚音速至超音速、单项或多项条件下的流动和传热问题。它还可以接 受用其他建模软件( 如u n i g r a p h i c s 、a u t o c a d 、3 d s m a x 等) 生成的三维模型 文件( t x t 、s t l 、f m e 、d x f 格式) ，并将其转化为本身使用的计算模型几何 数据文件。 图2 - i 所示为p h o e n i c s 的离散示意图，p h o e n i c s 程序求解由控制微分 方程离散化得到代数方程解，其统一形式是： - 烈s 脚- + 毒( 蚂一。剖= s ( 2 - 1 a ) 玑警+ 掣= 毒c 菪+ 墨 e a r l y t i l l l e h i g h z t l o w l l i g l l z t l o w 一。曲 w e s t 茎- e a s t s o u t h w e s t k - e a s ts o u m 图2 一l 离散示意图 其中矿是广义变量( 如速度、温度、浓度等) ，r 为相应于妒的广义扩散系数， s 为广义源项。式( 2 1 b ) 从左到右依次为非稳态项，对流项，扩散项和源项。 其离散形式为： n p 咖p = 口n 币n + n s 多s + 口e 牵e + n 争w + n h 争h + 廿l 争l + 4 t 簪t + s ( 2 2 ) 其中： 口，= 口+ a s + 口e + 口甲+ d + a h + 口r 山东大学硕士学位论文 则， ，：生垒竺超立型吐型生盟塑旦型型 。4 d e + a 缈+ o n + 口s + a h 七a l + 口t + q p 这里西代表变量，下标p 、e 、w 、n 、s 、h 、l 表示该变量所处的位