（机械工程专业论文）鳍片管传热特性的数值模拟与分析.pdf

浙江1 = 业大学工程硕t 论文 鳍片管传热过程的数值模拟与分析 摘要 对换热器中的主要换热元件的传热特性进行分析与研究有助于开 发可靠、高效、经济的换热器结构。过去对换热器的研究主要通过实 验的方法进行，对换热器及换热元件结构的设计也主要依靠工程技术 人员的经验。但实验研究存在实验费用高、周期长、限制多和难以得 到一些细节的参数信息等缺点。 随着当前计算流体力学、计算传热学以及计算机软硬件技术的不 断提高，数值模拟已成为一种高效率、低投入、简洁方便的研究方法， 越来越多的科学研究人员使用该方法进行科学研究。 本文主要从理论分析和数值模拟这两个角度对工作在余热锅炉中 的h 型鳍片管的传热特性进行了研究。 本文首先简单分析了鳍片管的特点、发展及研究应用现状，研究 了鳍片管的工作机理。在前人的研究基础上提出了本文的研究方法， 即采用有限元法对鳍片管的流动、传热特性进行研究。 根据h 型鳍片管的结构特点和传热特性建立了有限元分析模型， 参考其实际的工作条件，进行有限元模型的初始、边界条件的设置和 载荷的施加。 利用该有限元模型进行数值模拟，得到了h 型鳍片管的温度分布 i j 和管内外压力场、温度场、流场等细节，并简单分析其流动和传热原 理。本文进一步计算分析了网格粗细对h 型鳍片管计算结果的影响和 h 型鳍片管结构参数如基管壁厚、鳍片间距、鳍片高度、鳍片厚度等 对其传热特性的影响，为h 型鳍片管结构的设计和优化提供了一定的 参考依据。简单模拟分析了h 型鳍片管管内外工况对其传热性能的影 响，为h 型鳍片管工况的设置提供借鉴。 通过上述分析，本文阐明了工况和结构参数对h 型鳍片管传热特 性产生影响的内在机理，加深了对h 型鳍片管工作过程的理解。对h 型鳍片管的理论分析和实际应用都起到了积极的作用，对于h 型鳍片 管及换热器等相关设备的设计制造也有一定的指导意义。 关键词：h 型鳍片管，热流耦合，传热特性，数值模拟 ! i i 浙江t 业大学t 程硕i ：论文 n u m e 鼬c a ls i m u l a t i o na n da n a l y s i sf o rh e a t t r a n s f e rp r o c e s so ff i n n e dt u b e a b s t r a c t t h ea n a l y s i sa n dr e s e a r c ho ft 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 ft h e m a i nh e a t e x c h a n g e ro r g a nw o u l dh e l pt h ed e v e l o p m e n to fr e l i a b l e ， e f f i c i e n ta n de c o n o m i cs t r u c t u r eo ft h eh e a te x c h a n g e r t h eh e a te x c h a n g e r w a ss t u d i e db ye x p e r i m e n t a lm e t h o d ，a n dt h ed e s i g no f t h es t r u c t u r eo f h e a t e x c h a n g e ra n dh e a te x c h a n g e ro r g a nw e r ea l s ob a s e do nt h ee n g i n e e r s e x p e r i e n c ei nt h ep a s t t h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c hr e q u i r e dh i 曲c o s t ，l o n g c y c l e ，g r e a tr e s t r i c t i o n sa n dt h ed i f f i c u l t yo fg e t t i n gd e t a i l e di n f o r m a t i o n ， a n dt h ep e r s o n n e le x p e r i e n c eo ft e c h n i c i a nh a dg r e a tl i m i t a t i o n s a st h ec o n t i n u e si m p r o v e m e n to fc u r r e n tc o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ， c o m p u t a t i o n a lh e a tt r a n s f e ra n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y , n u m e r i c a la n a l y s i s h a db e c o m eah i g h l ye f f i c i e n t ，l o w c o s t ，c o n v e n i e n tm e t h o d ，ag r o w i n g n u m b e ro fs c i e n t i f i cr e s e a r c h e r su s i n gt h em e t h o dt oc a r r yo l lt h es c i e n t i f i c r c s e a r c h t 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 ft h eh - f i n n e dt u b ew h i c hw o r k i n gi n t h ew a s t eh e a tb o i l e rw e r es t u d i e dm a i n l yi nt w oa s p e c t so ft h e o r e t i c a l a n a l y s i sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n 浙江工业大学t 程硕t ：论文 t h ec h a r a c t e r i s t i c s ，d e v e l o p m e n t ，a p p l i c a t i o n sa n dw o r k i n gm e c h a n i s m o ft h ef i n n e dt u b ew e r ea n a l y z e d t h er e s e a r c hp u tf o r w a r dam e t h o db a s e o nt h ep r e v i o u ss t u d i e s ：u s i n gt h ef e mt os t u d yt h ef l u i d i t ya n db e a t t r a n s f e ro ft h ef i n n e dt u b e a c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r a lf e a t u r e sa n dh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c so f h f i n n e dt u b e ，af i n i t ee l e m e n tm o d e lw a sb u i l du p ，t h ei n i t i a la n d b o u n d a r yc o n d i t i o n sw a ss e ta n dt h el o a dw a si m p o s e dr e f e r e n c et h ea c t u a l w o r k i n gc o n d i t i o n s f r o mn u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l ，t h et e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o no ft h eh f i n n e dt u b ea n dp r e s s u r ef i e l d ，t e m p e r a t u r ef i e l da n d f l o wd e t a i l so u t s i d ew e r ea c q u i r e d t h ef l o wa n dh e a tt r a n s f e rt h e o r yw a s s i m p l ya n a l y z e d t h ee f f e c to fm e s hs i z eo nt h er e s u l ta n dt h es t r u c t u r a l p a r a m e t e r ss u c ha sb a s et u b e st h i c k n e s s ，f i ns p a c i n g ，f i nh e i g h ta n df i n t h i c k n e s so nt h eh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c ew e r ea n a l y z e di na d v a n c e ， w h i c hp r o v i d eac e r t a i nr e f e r e n c et ot h ed e s i g na n do p t i m i z a t i o no ft h e s t r u c t u r eo fh f i n n e dt u b e t h ei m p a c t so ft h ei n t e r n a la n de x t e r n a l c o n d i t i o n so nt h eb e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c eo fh f i n n e dt u b ew e r ea l s o s i m u l a t e d ，w h i c ha l s op r o v i d er e f e r e n c ef o rs e t t i n gt h eh f i n n e dt u b e s w o r k i n gc o n d i t i o n t h r o u g ht h ea n a l y s i sa b o v e ，t h eh e a tt r a n s f e rm e c h a n i s mo ft h e w o r k i n gc o n d i t i o na n ds t r u c t u r a lp a r a m e t e rw a ss t u d i e d ，w h i c hh e l p e dt h e u n d e r s t a n d i n go ft h ew o r kp r o c e s so ft h eh - f i n n e dt u b e t h er e s e a r c h v 浙江工业大学t 程硕l 论文 p l a y e dap o s i t i v er o l ei nt h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o n ， w h i c ha l s op r o v i d e ds i g n i f i c a n c et ot h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r eo ft h e h f i n n e dt u b e ，h e a te x c h a n g e r sa n dr e l a t e de q u i p m e n t s k e yw o r d s ：h f i n n e dt u b e ，h e a t - f l o w c o u p l i n g ，h e a t t r a n s f e r c 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 v i 浙江t 业大学t 程硕l ：论文 主要符号表 符号含义单位 d 基管内径 1 1 1 l l l 占 基管姥厚 l鳍片管长 l i两端光管长 s 相邻鳍片间距 h 鳍片高度 e 鳍片厚度 b 单片鲭片宽度 c 一对鳍片间距 v 速度m s t 温度 o c p 压力 m p a p 密度 k g i l l 4 c比热容 l c j k g k 1 a 换热面积 m 2 q 换热量 k j l 平均肇温 。c 弓 流体平均温度。c 口 对流换热系数 w ( m k ) 热流体与管子外壁之间的平均对流传热系数 w “m k ) 啦冷流体与管子内壁之间的平均对流传热系数w ( m 2 k 1 k传热系数 w ( h f k 1 入 导热系数 w l ( m 。k 1 粘度p a s r e 雷诺数 一 换热表面积a 的平均热流密度 k j m e g k 。 壁面紊流能 k l e w 壁面耗散率 t温差o c t i l l两种流体之间的平均温差o c m l 、m 2分别为热流体与冷流体的质鼙流晕 k g s h i 、h 2 分别为热流体与冷流体的进口焓j k g h l ”、h 2 ”分别为热流体与冷流体的出口焓 j k g u v w 速度分量 m s 浙江工业大学t 程硕士论文 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包 含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大 学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名：象f 虱澎 日期：i 净易月j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并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 阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密吖 ( 请在以上相应方框内打“，) 作者签名：灵f 豇湾日期：山7 | 年参月j 日 导师签名：川乏日期：伊 ! 年f 月甲日 浙江t 业大学t 程硕土- 论文 1 1 引言 第一章绪论 目的世界正面临着能源短缺，节约能源和开发新能源已引起世界各国有关部 门的普遍关注。设计和制造各类高性能换热设备是经济地开发和利用能源的重要 手段之一，这对于动力、石油、冶金、化工、制冷及食品等工业部门有着极为重 要的意义，以改善传热性能为目的的强化传热技术在此发挥着重要的作用。早在 1 9 世纪末，就有学者对强化传热技术进行研究，自2 0 世纪6 0 年代以来，强化传 热技术得到了蓬勃发展。强化传热技术开拓了传热学理论，并成为第二代传热技 术。 工程实际中，描述流动与换热问题常常是一组复杂的非线性偏微分方程，除 了一些简单的情形外，至今无法用解析的方法来获得结果。实验研究是我们通常 采用的方法，但用实验的方法来研究流动与换热问题时，往往难度大、成本高， 在一些情况下，甚至无法进行实验研究。数值模拟不仅可以求解用解析的方法无 法求解的流动与换热的非线性偏微分方程组，而且具有成本较低和能模拟较复杂 或较理想过程的优点。在给定的参数下，用数值模拟的方法在计算机上做一次模 拟，相当于做了一次实验，大大降低了研究成本。同时，用数值模拟来研究实际 的工程问题，还有利于揭示复杂物理现象的过程细节。正是由于数值模拟的上述 优点，计算流体力学与计算传热学在最近的2 0 年中得到了飞速的发展，数值计算 的优越性也日益体现出来，成为解决实际问题的有力工具而被广泛应用到工业生 产的各个领域，并越来越受到重视。 近年来，由于电厂锅炉机组的设计、改造及余热锅炉节能要求的提高，作为 扩展表面形式换热元件之一的鳍片管因其性能优良而得到越来越广泛的应用。因 此对鳍片管的传热特性等进行研究具有实际的工程意义。 浙江_ 丁业大学t 程硕 ：论文 1 2 鳍片管概述 1 2 1 鳍片管的特点 鳍片管与光管相比，在消耗会属材料相同的情况下具有更大的表面积，从直 观看属于第一次强化传热，但实质上换热面积增大的同时带来了传热系数的提高， 达到二次强化传热的目的。其特点就是能有效增加传热面积和增大传热系数，并 且比较容易制造并保证工作的稳定性。 鳍片管换热器的特点可以总节为以下几个方面： 1 传热效率高。鳍片管换热器由于在管表面上加鳍片，不仅传热面积增加2 1 0 倍，而且可以促进流体的湍流。所以传热系数比光管可以提高1 2 倍，特别是 当有鳍侧的换热系数远低于另一侧时，收效尤其显著。 2 结构紧凑。由于传热能力的增强和单位体积的传热面加大，故与光管组成 的换热器比较，在完成同一负荷时可用较少的管数，壳体直径或高度也相应减小， 使结构紧凑，并可减少金属消耗量。 3 可使选材合理。因为鳍片的材料可与基管不同，材料的选择和利用就更为 合理。 4 减轻结垢。采用了鳍片管，使介质与壁面的平均温差降低，减轻结垢；并 且在鳍片的热胀冷缩作用下，己结的硬垢也可望自行脱落。 由于鳍片管式换热器的上述特点，使鳍片管式换热器得到了广泛的应用。 1 2 2 鳍片管的分类与应用 鳍片管换热器所用鳍片管有内鳍片管和外鳍片管两种，其中以外鳍片管应用较 为普遍。外鳍片管一般是用机械加工的方法在光管外表面形成一定高度、一定片 距、一定厚度的鳍片。鳍片管的型式有螺旋鳍片管、螺旋扭曲管、套装鳍片管、 滚轧式鳍片管、板鳍式鳍片管、针翅管等【l 】【2 】o 鳍片的型式很多，使用也很普遍，因应用场合不同而不同。下面着重介绍管 外鳍片的形式。管外使用鳍片的形式通常有以下几种：1 3 】【4 】 纵向鳍片：在管外壁或平面外壁沿其长度方向的鳍片。是使用较早的一种外鳍 片形式，这种鳍片的结构特征是：鳍片基为竖直平面或圆管，鳍片为上下竖直的平 浙江t 业大学t 程硕i ：论文 板，多片竖鳍组成平行鳍片列。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鳍片都属于这一种。 环形鳍片，也叫圆鳍管。在热媒流通的圆形管道上加工环形鳍片，也是采用 较为广泛的一种外鳍片形式。圆鳍管柬的最大特点是传热管可在较大的纵向和横 向节距上排列布置而不造成鳍片效率的下降。铸铁圆冀型散热器和鳍片管散热元 件都是采用圆管环形肋。 板式鳍片，也叫管板式鳍片。在热媒流通的圆形管道上加装矩形鳍片，是又 一种使用广泛的外鳍片形式，这种鳍片的结构特征是鳍片在管外壁且与管外壁垂 直。板式鳍片在空调、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，还有可提高鳍片表面传热性能的各种强化鳍片，如槽带鳍片、穿孔鳍 片以及锯齿鳍片。这些鳍片是在以上鳍片的基础上改进的鳍片形式，目的是加强 扰动，破坏层流底层来强化传热。 鳍片管换热器是扩展表面换热器的一种形式，是近年来随着科学技术水平的 提高发展起来的一种高效、紧凑式换热器。目前它在国内外各个工业领域中得到 了广泛的应用，如石油化工、煤炭、纺织等行业，尤其是应用在工业锅炉和电厂 锅炉中的。 华南理工大学化机所多年来也致力于由瑞典引进的针翅管【5 1 的研究，与原中石 化北京设计院合作研制的产品使用效果很好，已获国内专利。但他们研制的针翅是 采用焊接方法焊在基管上的，加工麻烦，对针翅的大小、密度也有诸多限制。最近， 江苏某厂采用特殊的车削技术，在管子上直接机加工出整针针翅，可消除针翅与基 管的焊接接触热阻，且针翅小而密，传热面积扩大非常多；针翅短且呈螺旋状弯曲， 管外径小，管束体积并不大，针翅直径约6 m m ，翅距只有2 m m ，翅长为6 1 5 m m ，为 国际先进。测试结果表明：对水的冷却总传热系统可增加一倍。 近年来，螺旋式扭曲管的研制引起了国内外学者的关注1 6 - 9 1 。螺旋式扭曲管， 两端为圆形，管子与管子在椭圆长轴处相接触，相互支承而取消了支撑折流板， 这样能保证装置的抗震性，且流体在管程和壳程都发生旋流。这种结构的换热器 与光管换热器相比，热流密度高5 0 ，容积小3 0 。 未来鳍片管的发展是朝着换热表面大大强化、鳍片与基管连成一体的方向， 而且生产的成本要大幅度降低，生产也愈趋规模化【l o l 。 3 浙江t 业大学t 程硕l 二论文 整体铝鳍片管( a i f 管) l 是基于上述发展方向进行研制的，属国内首创。 a i f 管对传统管的改进主要有：鳍片与介质流动的管路为一体结构，并对流动管路 截面形状进行了优化设计，间隙热阻为零，且换热系数增加；质量轻，强度高，耐 腐蚀性好；鳍片光滑，不易结垢，易于清洗维护，还可进行适当的热处理；单位 容积热容量增加；鳍片厚度小，高度较高，间距较小，管壁厚度小。但其鳍化比 为3 _ 3 5 左右，还有待提高。 1 3 鳍片管的发展及研究现状 对鳍片管的研究大致可分为两类：一是采用实验手段，在一定范围内改变鳍 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。 1 3 1 国外鳍片管的发展及研究现状 国外一些国家很早就开始了对鳍片管省煤器的实验和研究，并取得了较好的 效果。早在6 0 年代中期，前苏联就对鳍片管省煤器进行了研究，对几台炉的省煤 器进行了改造工作，由于鳍片省煤器的结构特点，不但使省煤器的总重量降低了 3 ，节省了原材料，同时也使省煤器的磨损问题得到了解决。在日本也有一批 3 0 0 7 0 0 m w 机组的锅炉中采用了螺旋鳍片管省煤器。由于日本燃用煤质较好，省 煤器不存在磨损问题，所以，同本采用鳍片管省煤器的目的主要是利用其结构特 点减少锅炉的外形尺寸，节省原材料，降低成本。美国福斯特惠勒公司与东锅厂 联合设计、东锅制造的d g 2 2 0 9 8 5 型流化床锅炉，在分离器后的外置烟道内也设 计使用了鳍片省煤器，不难发现其目的是采用鳍片管型省煤器在分离器达不到设 计效率或回料器工作不正常时来减轻磨损。 2 0 世纪5 0 年代，美国的k a y s 和l o n d o n i ”】共同对不同形式的扩展表面的实验数 据进行了回归分析。实验采用的两种不同的鳍片管，一种是双金属鳍片管，基管 的材料为铜，鳍片为铝；另一种是整体式的鳍片管，材料为铜。雷诺数为1 0 2 1 0 4 。 结果表明，实验结果表明：对于由两种材料制成的螺旋鳍片管( 如基管用铜，鳍片 用铝) ，由于其基管和鳍片问的接触热阻相对较大，因而其传热性能要比整体型 4 浙江t 业大学工程硕l 论文 螺旋鳍片管( 基管和鳍片采用同一种材料) 的差。 y ud i n 等1 1 3 i 研究了螺旋鳍片管的结构及管束布置方式对传热的影响。y u d i n 等 选用盯严1 7 3 ，0 2 - - 1 ，2 3 的十七种不同布置的管束( 其中包括错列、顺列布置) 为 研究对象进行了实验，其中管子结构为d x s x h = 3 2 x 6 x 9 ，实验范围r e = 1 l0 4 5 x 1 0 4 。 实验结果表明：当雷诺数一定时，错列管束传热系数主要随横向相对节距仃，变化而 变化；而顺列管束传热系数与横向相对节距仃l 无关，只随纵向相对节距0 2 增大而增 大；并推荐错列管束布置以盯l - - 3 ，0 2 = 1 2 为最佳。此外，通过对错列管束的进一步研 究，y u d i n 等认为螺旋鳍片管束的传热性能还与鳍片结构有关，当鳍片螺距s 一定时 ( s = s m m ) ，在鳍片高度增到1 0 m m 的过程中，其传热性能逐渐增强，如果再增加 鳍片高度( 如h = 1 5 m m ) ，则传热性能增加不明显。因此，推荐螺旋鳍片管的优化 尺寸为：h - - l o m m ，s = 3 m m ，6 = l m m 。 z m i r k o v i c t 4 】为研究螺旋鳍片管束的传热特性分别对十三个管箱( 每个管箱由 8 排错列螺旋鳍片管束构成) 进行了实验。管予结构及管束为d - - 2 5 4 , 一5 0 8 ， s d = 0 0 8 3 - - 0 1 7 ，h d = o 1 8 - - 0 6 7 ，盯l = 4 4 7 5 ，盯2 - 2 3 7 3 1 4 ，实验范围是r e = 3 x 1 0 3 5 6 x 1 0 4 。由实验数据获得了螺旋鳍片管束的传热计算公式，即 n u = 0 2 2 4 ( 孚九孚九等厂r e 0 6 2 2 p r “m ， 式中：定性尺寸为鳍片管的水力直径，定性温度为气流进出口平均温度。 z m i r k o v i c 认为：当螺旋鳍片管基管外径一定时，增加横向节距或减小纵向节 距都将使对流换热系数增大：当螺旋鳍片管束横向节距和纵向节距一定时，增大基 管外径，对流换热系数增大：增大螺旋鳍片管螺距，减小鳍片高度，对流换热系数 增大：螺旋鳍片管束每排的传热性能不同，第一排最差，从第三排起趋于稳定。 b k u n d u i 瞪1 等在考虑了对流换热系数在鳍片管表面上呈线性分布的情况下，分 析了纵向梯形鳍片管和圆环梯形鳍片管的温度分布，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鳍片管表面变化时， 对鳍片管传热计算结果有很大的影响，最后还给出了纵向梯形鳍片管的优化，并 且给出了优化曲线图。 s l a l o t a 1 6 1 等对镀层的圆环鳍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鳍尖的薄鳍片特别有效。文中还给出了考虑镀层 浙江t 业大学t 程硕t 二论文 和不考虑镀层的比较图。 c h i e n ”l 等分别在鳍片管夹角、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鳍片管的传热效率进行了二维的分析。结果表明，椭圆鳍 片管的传热效率随着鳍片夹角的增加而增加，但夹角一定，椭圆鳍片管的效率随 着鳍片高度和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 导致了在鳍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，椭圆鳍片管要比圆形鳍片管效率要提高4 8 。 j w a n g a i 8 】等对矩形鳍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，鳍片是通过玻璃和会属混合的焊接材料在高温情况下焊接和固定在鳍基 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，发现随着鳍片密度增加，传热系数和阻力都增加，同时给出了 r e 数、c o l b u n 因子和摩擦因子的关系图。 1 3 2 国内鳍片管的发展及研究现状 梁平【l9 1 等对带有小螺旋角的内外螺旋鳍片管( 简称内外螺旋鳍片管或i o s f 管) 的工业现场进行试验，结果表明用于电站高压加热器有着显著的传热强化效果，其 实测总传热系数是光滑管加热器的1 4 3 倍，可相应节省换热面积3 0 。在等面积下 使用，则可收到明显的节能效果。内螺旋鳍片促进管内锅炉给水的湍流流动，外螺旋 鳍片能利用冷凝水的表面张力减薄冷凝水膜的厚度以及内外表面积的增加是内外 螺旋鳍片管高压加热器传热强化的机理所在。 程菲【2 0 】对圆鳍片管的强化传热过程进行了分析，提出了鳍片管的传热模型和 以单位传热量下鳍片管的体积最小为目标函数的最优化分析数学模型，并对鳍片 管的最优几何尺寸进行了分析。得到最优鳍片高度与其他因素的变化关系。 宋长华等【2 1 1 对椭圆芯管矩形鳍片和大功率晶闸管用热管散热器偏心圆芯管矩 形鳍片的传热进行了分析和数值模拟，获得了相应的肋效率曲线，并与已有的近 似解作了比较。考查了偏心度、材料变物性和鳍基温度的不均匀性对偏心圆芯管 矩形鳍片传热的影响。 田林1 2 2 l 等在恒热流边界条件下，对以空气为工质的分别带有3 种不同纵向内鳍 片( 平直鳍片、带有突起的鳍片和波纹形) 换热管的流动与换热特性进行了实验 6 浙江丁业人学t 程硕t 论文 研究，得出了所测参数范围内的换热与阻力的实验关系式。采用两种不同的标准对 所测3 根换热管的综合换热性能进行了评价。结果表明，带有波纹形内鳍片的换 热管在两种评价标准下均表现出了优异的综合换热性能。 张政等【2 3 l 应用p a n t a n k a r 等人研究薄鳍片管的湍流模型，对一种工业化的厚鳍 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、鳍片和流通空间作为一体 耦合考虑。 西安交通大学的宋富强【2 4 1 等用三维适体坐标的网格生成技术对鳍片管散热器 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 流速下鳍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 增加的程度减小。 欧阳新萍等【2 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，并把它应用到鳍片管传热试验上。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。 陈吉安等【2 6 】在风洞实验台上，对椭圆矩形鳍片管束和圆管圆形鳍片管束进行 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，对于管内蒸汽冷凝、 管外空气横掠管束的工况，椭圆矩形鳍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鳍片管冷凝器的优化问题。 李亮斌等【2 7 1 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。 高伟桐等2 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 7 浙江丁= 业大学t 程硕i ：论文 形肋和不考虑辅射辐射的梯形肋的传热情况。 1 4 本课题选题的意义、研究的目标和主要内容 1 4 1 本课题研究的意义 随着能源资源的日益紧缺，如何合理利用能源，降低单位产值的能耗已成为 各生产领域特别是高能耗部门所需迫切解决的问题。提高换热器的效率是有效解 决锅炉、蒸汽轮机、电厂的省煤器、冶金及化工系统的换热设备热能利用率低的 一种途径。 采用扩展受热面是强化传热的一种有效途径，能使锅炉对流受热面结构紧凑， 金属耗量减少，流动阻力有所降低，因而扩展受热面在锅炉对流受热面中的应用 同益增加。在高温，高压下工作的换热面，一般采用形状简单的扩展受热面。鳍 片管是具有最简单扩展受热面的管子，通常可用作锅炉省煤器、蒸发管束、第一 级中间过热器等的受热面。在鳍片材料耐氧化性能许可的条件下，还可用于烟气 等温度较高的区域。 目前，在我国相当多一部分锅炉上仍采用光管省煤器。实践证明，光管省煤 器的传热能力较低，相对面积较大，容易造成锅炉检修面积小、低温级省煤器处 烟气流速较高、排烟温度比设计值偏高、煤耗增加、省煤器磨损严重等问题，对 于锅炉安全运行造成隐患。造成这一问题的主要原因是烟气侧传热系数偏低。因 此，对国内省煤器进行改造势在必行。 因为鳍片管的诸多优点，鳍片管省煤器在省煤器的改造中得到广泛应用。但 是，目前省煤器上应用的鳍片管其鳍片尺寸和工况的设置多是根据以往的经验和 众多厂家的推荐进行选择的，尚缺乏优化理论的指导。 本研究依据现有的热流耦合理论和有限元分析理论对鳍片管进行数值模拟， 根据模拟结果分析其结构参数对传热性能的影响规律，并为企业的实际生产过程 中的工况设置提供参考。 尽管鳍片管束的应用还存在不少问题，但只要能准确计算其传热及阻力特性， 以便合理而有效地设计出性能优良的鳍片管换热器，从强化传热及技术经济性看， 其实际的工程应运具有广阔的前景。 浙江工业大学工程硕t ：论文 1 4 2 本课题研究的主要内容 1 根据h 型鳍片管的特点，在充分掌握流体力学和传热学的基础上，对h 型鳍 片管传热过程和传热性能进行理论分析，得到了其传热理论模型。 2 在掌握有限元理论的基础上，利用通用有限元分析软件a n s y s 的a p d l 语言 编写仿真程序，对工作在余热锅炉的h 型鳍片管单管换热过程进行有限元数值模 拟。 3 对模拟所得的压力场、温度场和速度场进行了分析，进一步增加对鳍片管 换热机理的理解。 4 对不同参数的h 型鳍片管进行有限元数值模拟，得到内部各个结构参数对h 型鳍片管传热性能影响的规律，为h 型鳍片管结构设计和优化奠定基础。 5 对工作在不同工况下的h 型鳍片管进行有限元数值模拟，得到外部工况对h 型鳍片管热性能影响的规律，为h 型鳍片管的工况设置提供参考。 1 4 3 本课题研究的目标 1 依据现有的h 型鳍片管的结构参数、流体传热学原理和有限元数值模拟的理 论，运用有限元分析软件a n s y s 的a p d l 语言编写仿真程序，建立h 型鳍片管的有 限元模型进行三维数值模拟，从而为其他形式的鳍片管传热特性的数值模拟提供 参考。 2 通过对不同几何结构参数h 型鳍片管的有限元数值模拟得到的传热性能进 行分析，为h 型鳍片管的结构设计和优化提供参考。 3 通过对不同工况下h 型鳍片管的有限元数值模拟得到的传热性能进行分析， 为h 型鳍片管的工况设置提供参考。 1 4 4 研究方法 研究根据有限元理论和热流耦合等原理，采用通用有限元分析软件a n s y s 中 的f l o t r a n 分析模块，通过建立h 型鳍片管有限元分析模型，模拟其实际的工况， 得到h 型鳍片管的传热性能。工作思路具体如下： 9 浙江1 = 业人学1 = 程钡l ：论文 1 5 本章小结 图1 - 1 有限元数值分析流程 本章首先阐释了鳍片管的特点、分类及其应用状况，并对国内外鳍片管的发 展现状、已有的研究成果等进行简单的介绍。最后提出了本文选题的意义及主要 的研究内容、目标和方法。 o 浙江t 业大学- r = 程硕 ：论文 第二章鳍片管传热计算及相关有限元理论 2 1 流体传热学理论 2 1 1 传热计算基本方程 1 传热方程式 换热方程式的普遍形式为： q = f kat d a( 2 1 ) ； 式中q 一热负荷，w ； k 鳍片管上任一微元处的换热系数，w ( m 2 ) ； t _ 一在此微元换热面处冷热两种流体之间的温差，； d a 换热面积，m 2 。 式( 2 一1 ) 中的k 和t 都是传热面积a 的函数，而且每种鳍片管的函数关系都不 相同，这就使得直接求解式( 2 1 ) 十分复杂。但是在工程计算中采用如下简化的传 热方程式也已足够精确了： q = k a a t ( 2 2 ) 式中：a 传热面积，m 2 t n _ 一两种流体之间的平均温差， k 平均传热系数，w ( m 2 ) 由上式可知，要算出传热面积a ，必须先知道换热器的热负荷q 、平均温差t r - l 和平均传热系数k 的值，通过计算确定这些参的数值就成了传热计算的基本内容。 2 热平衡方程式 如果不考虑换热器散至周围环境的热损失，则冷流体所吸收的热量就应该等 于热流体所放出的热量。这时热平衡方程式可写为： q = m , ( h 一噍。) = m ：( 岛一如) = k f a t ( 2 3 ) 式中：m i 、m r 分别为热流体与冷流体的质量流量，k g s ： h ，、h 2 l 分别为热流体与冷流体的进口焓，j k g ； 浙江工业大学t = 程硕i 二论文 h 1 ”、h 2 ”分别为热流体与冷流体的出口焓，j k g 。 不论流体有无相变，式( 2 3 ) 都是正确的。当流体无相变时， 表示： t； q = - m 。i c l d t l = 肘：n 出： 热负荷也可用下式 ( 2 - 4 ) 式中：c l 、c r 分别为热、冷流体的定压质量比热，j ( k g ) ； 比热c 是温度的函数，在应用式( 2 - 4 ) 时必须知道此函数关系。为简化计算， 在工程中一般都采取在t 与t ”温度范围内的平均比热，即 蜴= 一m ，c l ( r f 。) = m 。c l ( f l ，一r ) = m 1c l ( 2 5 ) 及q 2 = - m ：c 2 ( f ：一f 2 ，) = m ：c 2 ，2 ( 2 6 ) 式中：。l 热流体在t ，及t ”温度范围内的平均定压质量比热，j ( k g ) ； 。r _ 冷流体在t 吸t l i 温度范围内的平均定压质量比热，j ( k g ) ； a t l 热流体在换热器内的温降值，； t 2 冷流体在换热器内的温降值，。 以上讨论的是没有散热损失的情况，实际上任何换热器都有向周围环境的热 损失q l ，这时热平衡方程式就可写成： q l2q 2 + q ( 2 7 ) 或q l 吼2 q 2 ( 2 8 ) 式中：叩r 以放热热量为准的对外热损失系数，通常为o 9 7 o 9 8 。 2 1 2 流动与传热控制方程【2 9 1 流体流动的过程要遵循质量守恒、动量守恒、能量守恒规律，这些规律由偏 微分方程表示，最后还要采用有限元法对这些方程进行离散化。 设在图2 一l 所示的三维直角坐标系中有一对流换热过程，流体的速度矢量u 在 三个坐标上的分量分别为u ，v ，w ，压力为p ，流体密度为p 。这里，为一般化起见， u 、v 、w 、p 及p 都是空间坐标及时间的函数。对图2 1 中所示的微元体d x d y d z ， 应用质量守恒定律、动量守恒定律及能量守恒定律，可以得出三个定律的数学表 达式。 1 2 浙江工业人学t 程硕。 ：论文 2 1 3 质量守恒方程( 连续性方程) 质量守恒方程又称为连续性方程，对图2 1 中固定在空b j 位置的微元体，质量 守恒定律可表述为：单位时日j 内微元体中流体质量的增加等于同一时间日j 隔内流 入该微元体的净质量。 图2 1 三维直角坐标系及微兀体 据此，可以得出以下的质量守恒方程： a p + a ( p j 2 + 掣+ 旦掣：0 ( 2 9 ) 西巩却玉 上式中的第2 ，3 ，4 项是质量流密度( 质量流密度就是单位面积的流体质量) 的散 度，可用矢量符号写为： a a p + d i v ( p u ) = 0 对于不可压缩流体，其流体密度为常数，连续性方程简化为： d i v ( u ) = 0 2 1 4 动量守恒方程 根据图2 1 中微元体单元分别在三个坐标方向上应用n e w t o n 第二定律( p m a ) 在流体流动中的表现形式，动量守恒定律可表述为：微元体中流体动量的增加率等 于作用在微元体上各种力之和。并引入n e w t o n 切应力公式及s t o k e s 的表达式，可 得3 个速度分量的动量方程如下【3 0 j ： i u 向动量方程： 旦幽+ 塑型+ 旦型+ 旦鲤盟：一鲨+ 旦f 胁u + 2 叩丝1 西盘 咖 出出缸 苏 堕型坐型丝兰 + 荆塞+ 珊默警+ 耕以 2 v 向动量方程： 型+螋+等+型、egpat c 3 x d z 3 v + 珈啪叩考 咖。加i “。“，i i + 期妻+ 针取塞+ 饼暇 3 w 向动量方程： 掣+ 掣十等a v + 螋a z = 一矧2 剖 a f融 一庶7 鬲i4 “”。+ 7 ，。万j + 昙 玎( 老+ 罢 + 号 叩( 笔+ 雾) + p c ( 2 1 0 a ) ( 2 一l o b ) ( 2 一l o c ) 在数值传热学中常常将上述3 式等号后的分子粘性作用项做如下变化，以u 向 动量方程为例： 丢( 五击v u + z 玎罢) + 多 叩( 罢+ 雾) + 妄 叩( 罢+ 罢) = 昙( 叩罢) + 参( 叩害) + 昙( 刁鲁) + 岳( 叩罢) + 号( 玎亲) + 昙( 玎罢 + 鲁( a 硪v 【，) = 出v ( 刁占掰砌) + 最( 2 - 1 1 ) 据此，上述动量方程可以进步写成以下矢量形式： 掣州舢= 机。g r a d , , ) + 鼠一篆 挈+ 机( p v = 机( 叩舭咖) + 鼠一蒡 挈+ 州舢) = 嘶g r a d w ) + 芝一箬 ( 2 1 2 a ) ( 2 一1 2 b ) ( 2 1 2 c ) 其中s u 、s v 、s w 3 个动量方程的广义源项，其表达式可对照式( 2 11 ) 得 出如下公式： 】4 浙江工业人学工程硕t 论文 瓯= 昙( 叩罢) + 号( 叩塞 + 毫( 叩芸) 十昙( a 讲v u ) ( 2 - 1 3 a ) 鼠= 去( 叩考 + 专( 叮考 +