（机械制造及其自动化专业论文）翅片管换热过程的数值模拟及实验研究.pdf

摘要 论文题目：翅片管换热过程的数值模拟及实验研究 学科专业：机械制造及其自动化 研究生：刘占斌 指导教师：李淑娟教授 袁启龙副教授 摘要 签名： 签名： 签名： 换热器是工业传热过程中必不可少的设备，广泛应用于各工业部门。随着科技及工业 的发展，要求换热设备紧凑、轻巧、高效并小型化，翅片管换热器和板式换热器成为人们 关注较多的两种高效换热器。其中翅片管作为翅片管换热器的核心元件，其质量的优劣直 接影响到热交换器的工作性能。本文通过对采用切削一挤压复合成形方法加工的翅片管进 行三维有限元分析，研究其热交换过程和传热效果，以便指导其优化设计与加工。 采用三维实体造型软件( c a t 认) 构建翅片管换热器的三维实体简化模型；选用 a n s y si c e mc f d 生成六面体网格，以a n s y sc f x 为仿真工具，将流体与翅片管的接 触面设置为流固恒热流耦合传热边界，完成了翅片管换热器模型的建立和模拟计算过程； 针对模拟计算结果，分别分析了翅片管结构参数、翅片管内外流体对换热效果的影响，获 得了翅片间距、厚度、高度以及翅片管外不同流体种类对换热效果的影响规律。 建立了研究翅片管换热特性的实验平台；通过对翅片管强制对流换热过程的数值模 拟，获得了其平均传热系数。实验结果表明，翅片间距对平均传热系数影响最大，翅片厚 度次之，翅片高度最小；平均传热系数随翅片高度的增大而增大；随翅片间距的减小而增 大；随翅片厚度的增大，先增大后减小。通过翅片管的传热优化分析，获得翅片管最优结 构参数，实验结果验证了翅片管数值模拟过程的正确性。 关键词：翅片管；换热特性；数值模拟；正交实验；参数优化 论文研究得到国家自然科学基金项目“切削挤压复合成形过程机理和精确控制方法的研 究 ( 5 0 4 7 5 0 3 9 ) 的资助。 a b s t r a c t t i t l e ：n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho f h e a tt r a n s f e rp r o c e s so ff i nt u b e m a j o r ：m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n ga n da u t o m a t i o n n a m e ：z h a n b i nl i u s u p e r v i s o r ：p r o f s h u j u a nl i s i g n a t u r e ： s i g n a t u r e ： a s s o c i a t ep r o f q i l o n gy u a n s i g n a t u r e ： a b s t r ac t h e a te x c h a n g e ri si n d i s p e n s a b l ei np r o c e s so fi n d u s t r i a lh e a tt r a n s f e r , a n di sw i d e l yu s e d b ye a c hd e p a r t m e n to ni n d u s t r y w i t ht h ed e v e l o p m e n t o ft e c h n o l o g ya n di n d u s t r y , h e a t e x c h a n g e r sa r er e q u i r e do fc o m p a c t n e s s ，p o r t a b i l i t y , h i 曲e f f i c i e n c ya n dm i n i a t u r i z a t i o n t h e f i nt u b eh e a te x c h a n g e ra n dp l a t eh e a te x c h a n g e ra r ep a i dm o r ec o n c e n t r a t i o nb yp e o p l e f i n t u b e sa r et h ek e yp a r to ff i nt u b eh e a te x c h a n g e r s ，w h i c hq u a l i t ya r ed i r e c t l yr e l a t e dt ow o r k i n g c h a r a c t e r i s t i co fh e a te x c h a n g e r i nt h i st h e s i s ，i no r d e rt oo p t i m i z ed e s i g na n dm a n u f a c t u r e ，t h e h e a te x c h a n g i n gp r o c e s sa n dh e a tt r a n s f e re f f e c to ff i nt u b e ，w h i c hi sm a n u f a c t u r e db ym e a n so f c u t t i n g - e x t r u s i n gc o m p o s i t et e c h n i c s ，a r es t u d i e dw i t h3 d f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm e t h o d t h es i m p l i f i e d3 ds o l i dm o d e li sb u i l tw i t ha l l3 一ds o l i dm o d e l i n gs o f t w a r e ( c a t i a ) t h e h e x a h e d r a le l e m e n tm e s hi sg e n e r a t e dw i t ha n s y si c e mc f d u s i n ga n s y sc f xa s s i m u l a t i o nt 0 0 1 s e t t i n gi n t e r f a c e sb e t w e e nf l u i da n df i nt u b ea sf l u i d s o l i dc o u p l e dh e a tt r a n s f e r b o u n d a r yi nc o n d i t i o no fi n v a r i a b l eh e a tf l u x ，m o d e le s t a b l i s h m e n ta n ds i m u l a t i o nc o m p u t a t i o n o ff i nt u b eh e a te x c h a n g e ra r ec o m p l e t e d a c c o r d i n gt os i m u l a t i o nr e s u l t s ，a n a l y z i n gt h ee f f e c to ff i nt u b es t r u c t u r ep a r a m e t e r sa n d f l u i da r o u n df i nt u b eo nh e a tt r a n s f e re f f e c t ，t h ei n f l u e n c el a wt h a tp i t c h ，t h i c k n e s s & h e i g h to f f i na n dd i f f e r e n tt y p e so ff l u i da r o u n df i nt u b ea f f e c th e a te x c h a n g ee f f e c ti so b t a i n e d a ne x p e r i m e n t a lp l a t f o r mo fr e s e a r c h i n gh e a te x c h a n g ep e r f o r m a n c eo ff mt u b e si sb u i l t a v e r a g eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ti s o b t a i n e db ym e a n so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o no ff o r c e d c o n v e c t i o nh e a tt r a n s f e ra r o u n df i nt u b e t h ee x p e r i m e n tr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ee f f e c to ff i n h e i g h to na v e r a g eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n tc o m e sf i r s t ，t h ef i ns p a c i n gs e c o n d ，t h ef i nt h i c k n e s s l a s t t h ea v e r a g eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ti n c r e a s e sa tt h ep r e v i o u sp e r i o da n dd e c r e a s ea tt h e l a t e rp e r i o dw i t ht h ei n c r e a s eo ft h et h i c k n e s so ff i n s ，w h i l ei ti n c r e a s e sw i t ht h ed e c r e a s eo ff i n i i i 西安理工大学硕士学位论文 s p a c i n ga n dt h ei n c r e a s eo ff i nh e i g h t w i t ho p t i m i z a t i o na n a l y s i so f h e a tt r a n s f e r , o p t i m u m s t r u c t u r ep a r a m e t e r so ff i nt u b ea r eo b t a i n e d ，a n dt h ee x p e r i m e n tr e s u l t sc o n f i r m st h ev a l i d i t yo f n u m e r i c a ls i m u l a t i o n k e y w o r d s ：f i nt u b e ；h e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；o r t h o g o n a le x p e r i m e n t ； p a r a m e t e r so p t i m i z a t i o n i v 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担切相关责任 本人 已经在西 学位论文使用授权声明 在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 殖安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位沦文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，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；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图二恬馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名： 导师签名：吞3 基造杰狮；月工8 日 绪论 l 绪论 1 1 引言 能源危机对世界的经济发展和科学研究造成了巨大的冲击，迫使人们尽力减少石油与 其他二次能源的消耗。这在客观上极大地促进了强化传热技术的研究，换热器是强化传 热的主要装置之一；它已经成为工业传热过程中必不可少的设备，广泛应用于各工业部门。 随着科技及工业的发展，要求换热设备紧凑、轻巧、高教并小型化，翅片管换热器和扳式 换热器成为人们关注较多的两种高效换热器。其巾翅片管作为翅片管换热器的核心元件， 其质鼍的优劣直接影响到换热器的工作性能。翅片管的散热性能一方面依赖于其翅片高 度、翅片厚度和翅片间距：另一方面依赖于翅片管周围流体的流动状态。因此优化翅片高 度、翅片厚度和翅片间距，分析翅片管周围流体状态优劣成为翅片管加工和利用过程中的 重要环节。本文通过对采用切削一挤压复合成彤方法加工的翅片管进行三维有限元分析， 研究其热交换过程和传热效果，对其结构参数进行优化，进而指导其加工。 12 换热器概述 换热器是指两种不同温度的流体进行热量交换的设备。换热器的作用可以是以热量交 换为目的。即在确定的流体之间，在一定时日j 内交换一定数量的热量：也可咀是咀回收热 量为目的，用于余热利用：也可以是以保证安全为目的，即防止温度升高而引起压力升高 造成某些设各被破坏口j 。 换热器按照工作原理不同可分为直接接触式、蓄热式和问壁式换热器”】。 ( 1 ) 直接接触式换热器，是指两种不同温度的流体直接接触进行热交换与质交换的 换热。其传热效率较高。 ( 2 ) 蓄热式换热器，是指在换热面交替地吸收和放出热量，热流体流过换热面时换 热面温度升高，吸收并储存热量，然后冷流体流过换热面，换热面放出热量加热冷流体。 如：锅炉中回热式空气预热器。 ( 3 ) 问壁式换热器，是指通过传热表面问接加热的换热器。由于壁面式换熟器冷热流体 传热时被固体壁面所隔开，热流体和冷流体 通过壁面进行热量传递，所以与直接接触式 换热器相比，换热效率较低，常用在两种流 体不容渗混的场合。 以上三种换热器中，问壁式换热器凭借 其换热能力较强、适用范围广等特点，在工 业领域中获得了长足发展，已经成为生产中 图1 - 1 管壳式换热器 f 镕l - 1 s h e l l - t u b eh e a te x c h a r g e r 西安理工夫学颇士学位论t 鬻蒸蒸薰黜 作液体构成。工作液体囚在热端吸收热量而硼_ i l i 沸腾汽化，产生的蒸汽流至冷端放出潜热。鼻_ 薹迸l j 盏蒯 冷凝液| 亘| 至热端，再次沸腾汽化。如此反复i i i 皇署曩t i 刚 循环，热量不断从热端传至冷端。拎凝液的量日啊_ 隔黟 回流可以通过不同的方法( 如毛细管作用、田_ 曦写强暑珊：旷 慧器黧翻k 鬻i ：蒜害器淼嚣鋈蠢霞湮陲羹墼 就固定了，同时，管箱使管内的流体形成露誉登鏊藿誉量毫雪譬詈基蚕圈誓连罨薯暑& t 连续的流道。昏謇萤蚕藿重量基胃基罨蚕富墨禹墨誊曼l 圈 1 3 1 翅片管的定义 翅片管，又叫鳍片管或肋片管，英文名字叫“f i n t u b e ”或“f i n n e d t u b e ”也有时叫 做“e x t e n d e ds u r f a c e t u b e ”，即扩展表面管。顾名思义，翅片管就是在原有的管子表面上 ( 不论外表面还是内表面) 加工上了很多翅片使原有的表面得到扩展，而形成一种独特 的传热元件。下面展示的是两张翅片管的照片如图1 - 4 所示。 132 翅片管的分类 幽1 4 翅片管 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”j ，如图1 - 5 所示。 纵向翅片：在管外壁或平面外壁沿其k 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扳，多片竖翅组 成平行翅片列。1 5 1 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。 潦豢豢黎 擞一一帅挫 圈i - 5 翅片管形式 f i g1 5s h a p e s o f f i nt u b e s 环形翅片，也叫圆翅管。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 的种外翅片形式。圆翅管束的展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，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。图 1 5 所示的是工业上广泛应用的几种翅片形式。 1 3 3 翅片管的结构参数 一般情况下，描述翅片管的结构参数主要包括基管内径、翅片管外径、翅片厚度、翅 片间距、基管厚度及翅片高度等，如图卜6 所示“1 。 西安理工大学硕士学位论文 小基管内径够翅片管外径争翅片厚度户间距6 一基管厚度 翅片高度 d - i n n e rd i a m e t e ro fb a s et u b e d j ：o u t e rd i a m e t e ro ff i nt u b e 口- t h i c k n e s so ff i nf l p i t c h 6 - t h i c k n e s so f b a s et u b e h - h e i g h to ff i n 图1 6 通用翅片管结构参数 f i g 1 - 6 g e n e r a ls t r u c t u r a lp a r a m e t e ro ff r ot u b e 1 3 4 整体式翅片管的加工 目前，扩展换热器换热管功能表面积大都采用压力加工、组装式结构或其他特种加工 方法完成，实践表明传统的加工方法存在工艺复杂、生产效率低、生产成本高、制件使用 性能差、浪费材料等缺点。制冷、空调等行业广泛采用的翅片管，大都是采用滚轧方法加 工出来的，这需要专用设备，不但工艺复杂，生产周期长，而且对于螺距小于1 21 1 u i l 、 高度大于1 4i i l n l 的翅片管而言有相当大的加工难度，管壁也不能太薄，这就使得其应用 受到了一定限制。为了解决这些问题，国内外提出了许多有效的方法，主要目的是想通过 改变翅片的结构形式增加热交换器的换热面积来强化传热效果。 夏伟等【5 】人提出了“劈切一挤压加工方法 ，该方法是一种挤压和无屑切削的复合加 工方法，该方法是在普通车床上按通常的切削加工方式进行( 如图1 7 所示) ，在专用刀 具将管表面金属劈切开后，随着挤压量的增加，金属沿径向和轴向流动，通过径向和轴向 挤压使金属塑性变形形成翅片( 如图1 8 所示) 。 c 图1 7 劈切一挤压成形原理 f i g 1 - 7c h o p p i n ge x t r u s i o ns h a p i n gp r i n c i p l e 面刀体 图1 8 劈切挤压刀具 f i g 1 8c h o p p i n ge x t r u s i o nt o o l 吴斌等【6 1 人提出了一种采用了连续局部塑性成形的加工工艺一“双面犁法”加工整体 翅片管，( 如图i - 9 所示) 用特殊设计的加工工具使基管表层金属产生塑性变形，形成三 维翅片结构。该加工方法是一种金属无浪费成形过程，在整个加工过程中，表层金属在加 4 绪论 工工具的作用下经受了两次挤压，在j j n l l 只的压力作j 下经过复杂的塑性流动后发生 塑性变形，从而形成最终n 勺表层强化结构三维翅片。 窿1 二次挤压成形首 ( 罐翅片管) 了 圈i ，9 双面犁法加工整体翅片管的成形数学模型 f i 9 1 9 t h e m a t h e m a l i c a l m o d e lo f f o n i n g i n t e g r a l f i n t u b e sb y t h ed o u b l ep l o u g h i n g m e t h o d 李言教授等f8 1 人提出了“切削一挤压成形方法”来加工翅片管，该方法在普通车床 上就可实现类似于细长轩的外圆切削加工，( 如图1 1 0 所示) 。坯料管的端用车床 卡柱夹紧，另一端顶在尾座顶尖上，专用川具( 如图】一1 1 所示) 装在车床刀架上，同时 安装跟刀架。丰轴旋转带动工件回转，刀具以一定的切削深度切人工件后，作自动纵向进 给，通过工件与刀具的相对运动，使得刀具的主切削刃切开的表层金属，不断地滑过刀具 前刀面，逐渐地翻转直立通过副切削刃的挤压而发生塑性弯曲，牢固地竖立在工件基体 上，形成高于基体的螺旋翅片结构。 图1 1 0 切自u 一挤压成形原理 f i g 1 1 0c u t l l n gp r e s ss h a p i n g p r i n c i p l e 图11 1 切削一挤压刀具 f i g l l 】c u t t i n gp r e s s t o o l 如图1 1 2 所示的翅片管就是采用这种方法制成的。该方法把普通切削方法和塑性挤 压成形方法相结合，探索在普通设备上利用四削一挤压复合成形法来加工高效传热表面， 在理论上具有很大的新意：在生产实际中，采用该方法所需要的加工设备简单，加工出来 的翅片管形式多样。另外，这种加工方法加工出来的功能表面还可以应用在过滤表面、机 械零件上供给合金扩敞涂覆的表面、金属强化表面、螺纹表面等方面，具有广泛的应用前 景，针对这种技术的研究与开发工作无疑会对工业生产和技术改造起到很大的推动作用。 西安理工大学硕士学位论文 小基管内径妒翅片管外径口一翅片厚度厂间距h - 翅片高度 d - i n n e rd i a m e t e ro fb a s et u b e d j ：o u t e rd i a m e t e ro ff i nt u b e a - t h i e k n e s so ff i n 厂p i t c h h - h e i g h to ff i n 图1 1 2 切削一挤压翅片管几何参数 f i g 1 - 1 2 g e o m e t r i cp a r a m e t e r so f c u t t i n g - e x t r u s i n gf i nt u b e 1 3 5 翅片管的强化换热 首先，介绍一个传热学上的定义：固体表面与和它接触的流体之间的换热称为对流换 热。为了比较不同情况下对流换热的强弱，我们需引入一个物理量：叫做“换热系数 。换 热系数是指单位面积，单位温差，单位时间的对流换热量。 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。 提高传热系数是增加传热量的另一种有效途径。在换热器翅片管壁厚比较小的情况 下，换热器稳定运行时的传热系数k 可由下式近似计算： 1 k = 1 羁+ 万兄+ l 吃 ( 1 1 ) 式中：h i 一内流体与翅片管内壁之间的换热系数；万一管壁厚度； 一外流体与翅片管外壁之间的换热系数；旯一管材的导热系数。 对于金属传热管，由于导热系数见很大，管壁厚度很小，上式中酬兄项可以忽略不计， 传热系数的计算公式简化为：1 尼= 1 厄+ 1 2 。可以看出，提高k 值可以通过提高扛、j l 来 实现。当啊、吃相差较大时，k 值主要由较小的那个换热系数决定，这表明提高小的那 个换热系数对强化传热十分有利。 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，有一台用热水加热空气的换热器，热水在管内流动，空气在管外流动。由于空 气侧的换热“能力 远远低于水侧，限制了水侧换热“能力 的发挥，使得空气侧成为传 热过程的“瓶颈”，限制了传热量的增加。为了克服空气侧的“瓶颈”效应，在空气侧外 6 l 绪论 表面加装翅片将是一个明智的选择。加装了翅片以后，使空气侧原有的传热面积得到了极 大的扩展，弥补了空气侧换热系数低的缺点，使传热量大大提高，如图1 1 3 所示f 9 1 0 1 。 k 扣 。 io o o 一 艺 胁d 一9 一一 p 拦， 少。 。 上 水烟气 珏o o _ 矗 么 = j o o 一( 3 w - 嗜 = = 吨芦 ! o 一j 陋。一o o = = = d 一 io o - - o - -少o 兰o 卜o _ o 二一c 一一 。 = = z ( a )( b ) ( a ) 加翅片之前的“瓶颈”效应( b ) 加翅片之后，“瓶颈”消除了 ( a ) w i t h o u tf i n s ，b o t t l e n e c kp h e n o m e n o n( b ) w i t hf i n s ，b o t t l e n e c kp h e n o m e n o ni sd i s a p p e a r i n g 图1 1 3 翅片管的传热原理 f i g 1 1 3 h e a tt r a n s f e rp r i n c i p l eo f f i nt u b e 1 4 换热器换热研究综述 1 4 1 主要研究方法 a 实验方法 实验研究方法是获取重要数据的手段，国内外很多学者对换热器的换热和流动情况， 特别是换热器壳程的换热和流动情况进行了研究，但效果并不令人满意。因为实验方法只 是给出换热器整体的压降和传热系数，不能预测换热器内详细的流动、换热和流场。事实 上，详细的流场、温度场对于更好地了解换热器运行以及换热器的设计研究是很重要的。 因此，人们越来越认识到基于一定实验数据的数值分析是获得复杂物理问题详细解的一个 节约投资、减少浪费、方便、可行的途径。 b 数值模拟方法 翅片管换热器中流体流动与换热是相当复杂的。管内流体与管外流体之间的热交换是 耦合在一起的。对这样复杂的流动与换热过程用实验测定，存在设备复杂，价格昂贵，并 且测量得不很准确等缺点。因此，不少学者从事换热器模拟工作。数值模拟与实验方法相 比，有以下几方面的优点： ( 1 ) 模拟能力强计算机模拟技术既能模拟真实条件，又能模拟某些理想化的假定， 拓宽了实验研究的范围，便于分析研究各种情况下的换热器的运行特性，并减少了实验的 工作量。 ( 2 ) 数据完整数值计算可以得出换热器内部的流场、温度场及压力、传热系数等 参数的分布，据此，可以详细分析换热器内管束结构等的布置的合理性。 ( 3 ) 经济性好数值计算的费用远远低于实验研究的费用。 7 西安理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 周期短实验方法需要的时间远远多于数值计算所用的时间。并且可以从各种 参数的大量匹配组合中选择多种方案进行比较，选择最佳的快速性和灵活性参数比，是实 验研究所无法比拟的【1 1 】。 1 4 2 数值传热学的兴起和发展 描述换热设备传热传质过程的动态模型常常是复杂的微分方程，除了某些简单的或简 化情形外，很难获得精确解或解析解。近年来，计算机及计算技术的发展为该研究提供了 广阔的天地，引起了人们的极大关注【l 扣1 6 】。从六十年代末期以来，传热问题的数值解法 很快成为一种解决实际问题的工具。传热学、计算机技术和数值方法相结合产生了数值传 热学( 计算机传热学) ，这门新兴学科为传热研究提供了新方法。研究者发展了多种计算 方法，目前应用于传热问题的主要数值方法有：有限差分法、有限单元法、有限分析法、 边界元和有限体积法。这些方法一般是把求解区域分成多个子域，然后在子域中建立离散 代数方程组求解。有限差分法具有物理意义简单，能很好处理非线性问题等特点，在计算 传热学领域应用非常广泛；有限单元法六十年代初应用于固体力学领域，适合求解复杂边 界问题；基于积分方程的边界单元法是一种新的计算方法，广泛应用于大区域流体流动计 算；有限体积法是2 0 世纪六七十年代逐步发展起来的一种主要用于求解流体流动和传热 问题的数值计算方法。 1 4 3 研究现状 文献【1 7 】中，主要讨论了具有对流、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该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：综合换热作用下矩形直肋中温度分布的 公式；肋体散热量计算式；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和对流项的影响，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。 文献n8 - 1 9 3 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 一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 1 绪论 值最大值，作为速度场是否收敛的判据。 文献眩们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传热的 数值模拟，得到了流体与换热系数的关系，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。 文献眨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。 1 5 本文的研究工作 本文结合国家自然科学基金项目“切削一挤压复合成型过程机理及精确控制方法的研 究 ，针对利用切削挤压复合成形法加工的整体式翅片管，以流体力学理论和传热学理 论为基础，利用数值分析和实验方法，分析翅片管换热的原理和过程，找出影响翅片管换 热性能的主要因素，对其传热性能进行研究。针对上述研究目标，本文内容安排如下： 第l 章：绪论。对换热器和翅片管进行概述，对翅片管换热效果的研究现状进行综述， 介绍本文的研究背景和论文的内容安排。 第2 章：翅片管换热过程的理论基础。分别从流体力学理论和传热学理论出发，分析 翅片管传热过程中的流动理论和传热理论的数学模型；利用流动和传热控制方程分析其传 热机理；分析、对比离散求解区域的方法，使用差分格式，得到相应的控制方程离散化形 式。 第3 章：翅片管换热器模型与模拟计算。在对计算流体动力学的基本概念和内容介绍 的基础上，概括计算流体力学的工作步骤、主要特点和应用领域：概括介绍计算流体力学 的常用工具( a n s y sc f d 软件) 的功能和使用；使用三维实体造型软件( c a t 队) 构建 翅片管的三维实体模型，并进行必要的简化；分析网格单元类型、使用场合和优缺点，综 合考虑并决定要使用的网格单元类型；利用网格生成软件( a n s y si c e mc f d ) 对翅片 管实体模型进行网格划分，根据翅片管的传热特点对网格分布进行再处理，并对已生成网 格进行质量检查，以保证满足后处理的要求；基于湍流模型的研究现状、种类及其使用条 件，分析湍流模型的控制方程，确定适合本研究问题的湍流数学模型和边界条件。 第4 章：模拟计算的结果分析。获得翅片管内、外流体的流场和温度分布，直观地分 析翅片管内、外流体流动状态的优劣，和热量的传递情况；设计正交实验，研究翅片管的 翅间距、翅高和翅厚对翅片管换热性能的影响；分析、总结实验结果，得到最优的翅片管 几何参数；进一步研究在翅片管结构参数一定时，翅片管内、外流体的不同种类和状态对 翅片管换热性能的影响。 第5 章：翅片管换热特性的实验研究。根据实验传热学原理和实验目的设计实验原理， 9 西安理工大学硕士学位论丈 并搭建实验平台。对光管和翅片管分别进行实验。分别采用顺流和逆流方式，在不同入口 体积流量下，测量翅片管换热器的出口流体温度。根据出、入口温度等参数计算表征翅片 管换热特性的参数一平均表面传热系数。对比实验结果和数值模拟结果，检验数值模拟结 果是否正确，并进行误差分析。 第6 章：结论和展望。介绍本文的主要研究结果，及今后需要进一步深入研究的内容。 l o 2 翅片管换热理论 2 翅片管换热理论 翅片管内外流体的流动和传热是一个非常复杂的过程，对其进行整体及局部数的值模 拟更是难上加难。整个理论体系涉及到多门学科，例如：流体力学中关于流体流动的数学 描述和控制方程；传热学中关于导热、强制对流传热的机理及控制方程和边界条件；高等 工程热力学中关于热量传递的效率和能量质的优劣评价等。 2 1 翅片管传热和流动理论 2 1 1 流体流动理论 描述流体流动的基本思路为：选择合适的离散求解区域的控制体；使用物质导数 表达式表示控制方程；根据质量守恒定律、动量定律和能量守恒定律推导流体流动控制 方程；使用合适的边界条件来限制控制方程。 a 流动区域控制体的分类 ( 1 ) 有限控制体 图2 - 1 中的流线，它表示了流动的流场【2 2 】。假设在流动区域内划出了一个有限的封闭 的控制体y ，围成控制体的闭曲面s 称为控制面。控制体的位置可以是固定的，此时会有 流体流过控制体。控制体也可以随流体运动，使得位于这个控制体内的流体质点始终是同 一批。物理学的基本原理将被运用到控制体内的流体上。所以，我们不是同时观察整个流 场，而是借助控制体，将我们的注意力集中在控制体本身这一有限区域内的流体。直接将 物理学基本原理运用于有限控制体，得到的流体流动方程将是积分形式的。对这些积分形 式的控制方程进行处理，可导出偏微分方程组。对于空间位置固定的有限控制体( 图2 1 a ) ， 这样得到的方程组，都称为守恒型控制方程。而对于随流体运动的有限控制体( 图2 一l b ) ， 这样得到的方程组，称为非守恒型控制方程。 & b s 图2 - 1 有限控制体模型 f i g 2 - 1 l i m i t e dc o n t r o lm o d e l ( 2 ) 无穷小流体微团 图2 2 中流线所表示的流动，设想流动中的一个无穷小流体微团，其体积微元是d y ， 西安理工大学硕士学位论文 流体微团无限小的含义与微积分中无限小的含义相同。但是它又是必须足够大，大到包含 了大量的流体分子，使它能够被看成是连续介质。流体微团的位置可以是固定的，此时会 有流体流过微团，如图2 2 a 所示。流体微团还可以沿流线运动，其速度v 等于流线上每 一点的当地速度，如图2 2 b 所示。对于固定的流体微团，得到的偏微分方程组仍旧称为 守恒型方程。而对于运动的流体微团，得到的偏微分方程组也还是称为非守恒型方程。 图2 - 2 无穷小流体微团模型 f i g 2 2 i n f i n i e s i m a lf l o wm i c e l lm o d e l 根据上面的讨论可知，控制方程可以表示成两种形式：守恒形式和非守恒形式。在一 般的空气动力学理论中，使用守恒形式还是非守恒形式的方程组都是一样的。但是在c f d 中，方程组形式的选择却是非常重要的。 b 物质导数 流动控制方程经常用物质导数来表达，物质导数的表达式如下： 丝暑丝i - v ) r 兰望+ “塑+ v 望+ w 望 ( 2 1 ) d ta t 、 西叙加钯 式( 2 1 ) 从物理上描述了流体微团经过流场中某一点时，微团温度的变化。一部分是由 于该点处流场温度本身随时间的涨落( 当地导数) ，另一部分则是由于流体微团正在流向流 场中温度不同的另一点( 迁移导数( y v ) 丁) 。 c 控制方程【2 3 】 流体流动要受物理守恒定律的支配，基本的守恒定律包括：质量守恒定律、动量守恒 定律和能量守恒定律。 控制方程是这些守恒定律的数学描述。 质量守恒方程 任何流动问题都必须满足质量守恒定律。该定律可表述为：单位时间内流体微元体中 质量的增加，等于同一时间间隔内流入该微元体的净质量。按照这一定律，可以得出质量 守恒方程： 望+ 塑尘+ a ( p v ) + 堂堂：o( 2 2 ) 现瓠 却 现 动量守恒方程 动量守恒定律也是任何流动系统都必须满足的基本定律。该定律可表述为：微元体中 流体的动量对时间的变化率等于外界作用在该微元体上的各种力之和。按照这一定律，可 二 2 翅片管换热理论 以得出动量守恒方程： 掣+ 堕字+ 下a ( p u v ) + t a ( p u w ) = 昙( 罢) + 导( 考) + 昙( i t 老) 一塞+ c c 2 3 ， a 苏 却 包舐l 。缸，却i 。却j 瑟i昆j 融 。 掣 1 - 掣+ 掣一t 掣= 躺) + 躺m 鹕4 ， 西叙 却 龙苏l 。舐，却i 。却j 瑟i 瑟j 巩 ， 掣+ 掣+ 挈+ 掣= 躺) + 黔m 珧吲2 5 ， a f锄 却芘锄l 。氖j 却i 。却j 包i 。龙j 钯 一 式中：p 是流体微元体上的压力；c 、e 和e 是微元体上的体力，若只有重力，且 z 轴竖直向上，则c = 0 ，e = 0 ，c = - p g 。 能量守恒方程 能量守恒定律是包含有热交换的流动系统必须满足的基本定律。该定律可表述为：微 元体中能量的增加率等于进入微元体的净热流量加上体力与面力对微元体所做的功。 流体的能量e 通常是内能i 、动能k 和势能p 三项之和，我们可针对总能量e 建立 能量方程。一般是从方程中扣除动能的变化，从而得到关于内能i 的守恒方程。我们知道， 内能i 与温度丁之间存在一定关系，即i = c 。t ，其中c 。是定容热容。这样，我们可以得 到以温度r 为变量的能量守恒方程： 掣+ 掣+ 下a ( p v t ) 一t 丁a ( p w r ) = 旦a x 侧t c , a j a x + 采c 水0 3 , ci g z 舭6 ) 西出 巩 龙 。 。却i j 昆i 。j 1 式中：c 。是比热容，r 为温度，k 为流体的传热系数，母为流体的内热源及由于粘性作 用流体机械能转换为热能的部分，有时简称研为粘性耗散项。 d 边界条件 首先是适合粘性流动的物理边界条件。其中，物面边界条件规定紧挨物面的流体与物 面之间的相对速度为零，称为无滑移条件。如果流动流经固定的物面，那么应该有 “= 1 ，= w = 0 ( 2 7 ) 除此之外，物面温度也有类似的“无滑移 条件。若物面材料的温度记为瓦( 壁面 温度) ，则直接与物面接触的流体的温度也是己。在壁面温度已知的给定问题中，对于气 体温度丁合适的边界条件将是 t = 乙 ( 2 8 ) 但是如果壁面温度是未知的，如有热流传入物面或是由物面传给流体，壁面温度是随 时间变化的函数，那么傅立叶热传导定律就提供了物面的边界条件。设香。，为传给物面的 瞬时热流，则由傅立叶定律 口。= 一h 譬1 ( 2 9 ) 1 3 西安理工大学硕士学位论文 式中的门表示物面的法向。此时，物面材料对传给物面的热流轧作出响应，改变壁面温 度l ，而瓦又反过来影响口。所以，一般求解非定常热流问题，要同时处理粘性流动和 壁面材料的热响应。就流动而言，这种类型的边界条件是关于物面温度梯度的边界条件， 不同于规定壁面温度本身的那种边界条件。由式( 2 9 ) 可得 f 竺1 ：一盟( 2 1 0 ) l 锄， 尼 最后，当壁面温度达到这样一种程度，使得不再有热流传给物面，这个壁面温度定义 为绝热壁面温度l 。对于绝热壁，合适的边界条件是在式( 2 1 0 ) 中令口w = 0 。因此，绝热 壁的边界条件为 厂3 下、 l 兰l = 0 ( 2 1 1 ) 锄。 实际的绝热壁面温度z 。将作为流场解的一部分得到。 上述各种温度边界条件中，固定壁面温度的边界条件式( 2 8 ) 最易于使用，绝热壁条 件式( 2 1 1 ) 次之。这两种情形代表了一般性问题式( 2 1 0 ) 的两个极端情形。然而这种一般 性问题，包含了流场与表面材料热响应的耦合解，至今还很难建立起来。由于这种原因， 大部分粘性流动的求解或是给定一个常数作为壁面温度，或是假设为绝热壁。 综上所述，如果式( 2 8 ) 被用作边界条件，那么壁面温度梯度( a ) 。以及口。成为解的 一部分；如果式( 2 1 1 ) 被作为边界条件，那么瓦。就成为解的一部分；如果式( 2 1 0 ) 被用作 边界条件，导致与材料热响应耦合的解，则瓦和( a ) 。都将变成解的一部分。 最后，对于连续的粘性流动，物面上唯一的物理边界条件就是上面讨论的无滑移条件， 这些边界条件与物面上的速度和温度相关。而其他的流动参数，如物面上的压力和密度， 应该成为解的一部分。 一 对于无粘性流动，由于没有摩擦力，不能迫使流体“粘附 于物面。因此物面上流动 的速度是一个有限的非零值。而且，对于非渗透壁，没有质量流入或流出物面。这就意味 着紧挨物