（工程热物理专业论文）紧凑式空冷器的传热数值模拟及热力学研究.pdf

a thesis submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of master of engineering heat transfer numerical simulation and thermodynamic study of compact air-cooled condenser candidate : zhang shaolin major : engineering thermophysics supervisor : prof. xuguoliang huazhong university of science and technology wuhan 430074, p.r.china may, 2012 独创性声明 本人声明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 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：年 月 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，即：学校有权 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。本人授权华中科技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。 保 密，在年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 i 摘要摘要 紧凑式空冷器作为板翅式换热器的一种，其翅片的表面流动传热性能对紧凑式 空冷器的性能起决定性作用，本文对紧凑式空冷器主要是基于翅片层面的研究。 平直翅片与隔板焊接后的结构相当于在隔板上加装了多个矩形直肋，本文对其 进行最小熵产化研究。根据已有的经典公式和经验公式，进行整合、推导和完善， 得到计算平直翅片的最小熵产数所需的全部公式并确定变量的取值范围。用 matlab 进行计算，得到了层流和湍流状态下肋片的最小熵产数 ns与肋长对应的 雷诺数rel的关系曲线，并且尝试着分析了最优肋高对应的雷诺数 , reb opt随肋长的 雷诺数rel的变化趋势，得到一些结论。再变换两个复合变量 m、b，计算并绘制 出新的关系曲线，讨论变量 m、b 对最小熵产数的影响。层流时，最小熵产数 ns 随着rel的增大先减小而后保持不变，湍流时，ns随着rel的增大而增大得非常迅 速；不管是层流还是湍流，最小熵产数 ns都会随着 m、b 的增大而增大； , reb opt会 随着rel的增大而变化最后保持不变，且湍流时的 , reb opt值远小于层流时的值。 本文对物理模型进行了简化，选取了冷空气侧一个具有对称性的单元进行研 究。采用前处理软件 gambit 建模并划分网格，fluent 软件进行数值模拟，分析了迎 面风速、翅片高度和翅片间距对翅片流道的对流换热特性和流动特性的影响。空气 沿流动方向温度逐渐升高、速度逐渐增大、产生压力降且表面对流换热系数 h 逐渐 减小。迎面风速较大时，各截面空气温度较低，稳定的层流边界层形成较晚，有利 于传热，表面对流换热系数 h 和压力降p均较大；翅片高度较低时，对换热的影 响相对较小， 各截面的空气温度略高、 速度略小， h 和p均较小； 翅片间距较小时， 各截面的空气温度高得比较多，边界层较薄，有利于传热。 关键词关键词：紧凑式空冷器 板翅式换热器 平直翅片 最小熵产数 数值模拟 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 ii abstract compact air-cooled condenser is a kind of plate-fin heat exchanger, the flow and heat transfer characteristics of the fins surface play a decisive role in the compact air-cooled condenser. in this paper, the study of compact air-cooled condenser is based on the level of fin. the structure after welding plain-fin and partition is equivalent to installing a number of rectangular fins on the partition.in this paper, the minimum entropy generation of the fin is studied. on the basis of several classic formulas and empirical formulas, with integration and derivation,get all the formulas needed to calculate the minimum entropy generation number of plain-fin and determine the range of variables. with the help of matlab, we can obtain the relation curves between minimum entropy generation number ns and the reynolds number corresponding fin lengthrel in laminar or turbulent state, and try to analysis variation trend of reynolds number corresponding the optimum fin height , reb opt. to transform two composite variables m and b, draw new relation curves and discuss their influences to minimum entropy generation number.in laminar state, minimum entropy generation number ns will firstly decrease and then remain unchanged with the increase of rel ,in turbulent state, ns will increase very quickly with the increase of rel; whether in laminar or turbulent state ,minimum entropy generation number ns will increase with the increase of m or b; , reb opt will change with rel and finally remain unchanged ,and the value of , reb opt in turbulent state is far less than the value in laminar state. in this paper,the physical model is simplified,a symmetry cell of the cold air side is selected for study. the author uses the preprocessing software gambit to set up model and divide meshes,then uses fluent for numerical simulation and analyze wind speed, fin 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 iii height and fin spacings influences to the fins flow and heat transfer characteristics.along the flow direction，the air temperature gradually rises and speed increases, resulting in pressure drop p and the convective heat transfer coefficient h reduces gradually. when wind speed is larger, air temperature in each section is lower, and stable laminar boundary layers formation is later which is helpful for heat transfer, the convective heat transfer coefficient h and pressure drop p are both larger; when fin height is lower, its influence to heat exchange is relatively small, the air temperature in each section is a little higher and speed is slightly slower, h and ap are both smaller;when fin spacing is smaller, the air temperature in each section is much higher, and the boundary layer is thinner which is helpful for heat transfer. key words: compact air-cooled condenser plate-fin heat exchanger plain-fin minimum entropy generation number numerical simulation 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 iv 目目 录录 摘要 . i abstract . ii 1 绪论 1.1 课题背景和意义 . (1) 1.2 板翅式换热器的类型及特点 . (3) 1.3 国内外研究概况 . (7) 1.4 本文的研究工作 . (12) 2 紧凑式空冷器数值计算的理论基础 2.1 紧凑式空冷器的传热学计算理论基础 . (14) 2.2 紧凑式空冷器的场协同研究理论基础 . (17) 2.3 紧凑式空冷器的数值模拟理论基础 . (18) 2.4 本章小结 . (22) 3 紧凑式空冷器翅片的最小熵产化理论研究 3.1 熵产分析 . (23) 3.2 平直翅片的最小熵产化理论研究 . (25) 3.3 矩形直肋的熵产数. (27) 3.4 本章小结 . (29) 4 紧凑式空冷器翅片的最小熵产数的影响因素分析 4.1 取得最小熵产数的条件探讨 . (30) 4.2 层流状态下最小熵产数的影响因素分析. (31) 4.3 湍流状态时最小熵产数的影响因素分析. (35) 4.4 本章小结 . (38) 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 v 5 紧凑式空冷器平直翅片流动与传热特性数值模拟 5.1 数值模型 . (40) 5.2 fluent 数值模拟结果分析 . (44) 5.3 本章小结 . (47) 6 总结与展望 6.1 本文工作总结 . (47) 6.2 展望 . (48) 致谢 . (48) 参考文献 . (49) 附录：主要符号说明 . (54) 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪论绪论 1.1 课题背景和意义课题背景和意义 1.1.1 空冷技术概述空冷技术概述 当今世界面临的一个日趋严重的问题就是资源和能源的严重短缺。而我国的人 均水资源占有量仅约为世界平均水资源占有量的四分之一，因此水资源的问题就显 得异常严重，我国也因水资源的极度贫乏被联合国评为世界 13 个贫水国之一。而 且我国的水资源分布也极不平衡，北方占有全国 45%的土地和 37%的人口，却只能 享有占全国 13%的水资源。且由于植被破坏、草场萎缩、水土流失再加上全球气候 变暖，我国的荒漠化越来越严重，荒漠化面积越来越大，因为我国的这种现状，对 水资源的进行统一的规划并合理地加以使用就显得非常重要了，在进行能源生产时 就不得不更多地考虑水资源的制约问题1。我国的主要煤炭产地基本都位于北方缺 水地区，都受到了水资源贫乏的制约，在这些地方的电力工业的发展不容乐观，为 了解决电站“富煤缺水”问题，空冷技术无疑是一个重要途径。电站一旦采用了空冷 技术，就将以空气取代冷却水来对乏汽进行冷却，因而大量的冷却水就被节省了下 来。空冷技术与常规水冷却技术相比可以节约全场用水的三分之二左右，而且空冷 机组没有循环水排污对环境造成污染，既经济又环保。武俊2通过一些假定简单地 计算了 2 600mw 直接空冷机组的经济性，比较了 2 600mw 直接空冷机组和 2 600mw 湿冷机组耗水量和耗煤量，以 30 年为设计使用年限，两者具体的比较如 表 1-1 所示。从这些年的生产实践和试验研究来看，空冷技术现在已经相当成熟， 随着技术的发展，其发电的煤耗量也是逐渐减少，且机组运行稳定，节水效果十分 明显，至于散热器防冻和热风回流等问题也还算比较容易解决，它非常适合应用在 我国的富煤缺水地区的坑口电站。空冷技术除了可以被用于空冷电站取代湿冷技术 外，其实还可以广泛地应用于在很多其他相关工业中。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 表 1-1 2 600mw 直接空冷机组与湿冷机组经济性比较 当今世界上空冷系统根据其冷却机理的不同有可以大致分为两种：直接空冷系 统和间接空冷系统。直接空冷系统，通常是向空冷凝汽器内强制通入冷却空气来直 接冷却由排汽管引入的汽轮机的排汽。间接空冷系统又可细分为两种，根据其采用 的凝汽器形式，又分为“海勒（混合式凝汽器）间接空冷系统”和“哈蒙（表面式凝汽 器）间接空冷系统”3。间接空冷系统内，由中间冷却介质水对进入凝汽器的汽 轮机的排汽进行冷却，被加热后的水则被送进空气冷却器进行冷却，然后再被送回 凝汽器中循环使用4。 1.1.2 紧凑式空冷器紧凑式空冷器 传统的空冷器的换热部分管束采用的是翅片管，送风部分是由电机带动的立式 大风扇，上面有百叶窗，空冷器可以根据气温的变化来调节冷却温度。传统空冷器 存在如下几点缺陷5：一是运行时，风扇噪音很大；二是风机的振动很大，轴承、 轴容易损坏；三是换热管束使用一段时间后，内外污垢会较多，由于翅片很密，不 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 易清理；四是空冷器靠百叶窗调节温度，但在冬季时，即使关闭百叶窗，风机依然 运行，造成能源浪费；五是占地面积大且换热效率较低。 既然传统空冷器存在着这些缺陷，所以必须用一种新型、高效、紧凑的换热器 代替。换热器系列产品中，板翅式换热器无疑是结构最紧凑、传热效率最高的，对 传统空冷器的改造绝对是可以考虑用板翅式换热器来进行替代的，又因为本文主要 是基于翅片层面对紧凑式空冷器的流动与传热进行研究，所以完全可以把板翅式换 热器作为研究对象。 1.2 板翅式换热器的类型及特点板翅式换热器的类型及特点 板翅式换热器的基本结构是由翅片、隔板、封条和导流片组成的通道。板翅式 换热器的基本结构如图 1-1 所示。板翅式换热器的传热面由隔板和翅片组成，翅片 与隔板由钎焊联接，板翅式换热器的芯体则是由多个这样的基本结构用不同的方式 排列而成。板翅式换热器的传热主要过程是依靠翅片完成，大部分热量经翅片，通 过隔板传到了冷流体， 一部分直接由隔板来完成， 隔板因此又被称为一次传热表面， 翅片则被称为做二次传热表面，二次传热面积比一次传热面积大得多，占到了总传 热面积的 7090%6。 图 1-1 板翅式换热器基本结构图 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 4 1.2.1 主要的翅片类型主要的翅片类型 翅片既要承担起最主要的传热作用，又要起隔板间的支撑作用，板翅式换热器 根据翅片的不同可分为多种不同类型，有如下几种主要的翅片类型7： （1）平直翅片（plain-fin） ：是由金属薄片制成的一种最简单的翅片形式，构 成直线流道，其传热性能和流动特性与圆管的较接近； （2）锯齿翅片（serrated-fin） ：流道以一定的切开长度被冲制得凹凸不平，不 仅能增加流体的湍动程度，还能破坏传热边界层，其切开长度越短，锯齿翅片传热 性能越好，锯齿翅片又被称为“高效能翅片”； 图 1-2 平直翅片实物图 图 1-3 锯齿翅片实物图 （3）多孔翅片（perforated-fin） ：实际上就是平直翅片被冲制出许多的孔洞而 成的。传热边界层会被孔洞不断地破坏，因而能提前向湍流过渡，过渡区和湍流区 的传热得到明显的增加，但是在高雷诺数范围内会有振动和噪声； （4）波纹翅片（wavy-fin） ：实际上就是平直翅片被压出一定的波纹，流体在 弯曲的流道中蛇形流动，传热边界层不停地被分离、破坏，翅片的波纹越密、波幅 越大，其传热性能越好； 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 5 图 1-4 多孔翅片 图 1-5 波纹翅片实物图 （5）百叶窗翅片（louvered-fin） ：等距离的百叶窗式的栅格被冲制在翅片上并 向流道内凸出，这些栅格能破坏传热边界层。栅格越多时，其传热性能越好，但阻 力亦越大； （6）错列翅片（misplaced-fin） ：可以看作是由一系列相互错排列的短小的平 直翅片组成，沿流体流动方向是间断、错位排列的。它在一个翅片段上的传热边界 层尚未充分发展就已经被下一个错位的翅片段给破坏了，因此整体看来，流动和传 热始终处于发展阶段。 1.2.2 板翅式板翅式换热器的优缺点换热器的优缺点 （1）优点8： 1）结构紧凑，ntu(传热单元数)大，单位体积的传热面积大； 2）传热效率高，传热边界层不断被破坏，因此可以形成强烈的湍流，热阻就 得到有效的降低，提高了传热效率； 3）轻巧且强度高，翅片通常为 0.20.3mm，结构非常紧凑，故而轻巧，翅片 既是主要的传热面，又支撑着隔板且强度很高； 4）适用范围广，在同一个板翅式换热器里，允许多股流的存在，即多种介质 可以同时存在并进行换热； 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 6 5）经济性好，由于板翅式换热器的结构紧凑，其体积较小、重量较轻，制造 成本能大大降低。 （2）缺点9： 1）制造工艺比较复杂，质量要求严格，特别是钎焊要求更高； 2）流道非常狭小，容易堵塞，清洗困难。一旦腐蚀产生内漏很难修理。 图 1-6 比较了管束式换热器、管翅式换热器和板翅式换热器这三种典型的换热 器芯体的 j 因子与 f 因子之比 j/f 与 re 数的关系，而 j/f 一般认为是反映换热器的综 合性能的，由曲线计算可得到各类换热器芯体的平均 j/f 值，管束式换热器的芯体 平均 j/f 值约为 0.2，管翅式换热器的芯体平均 j/f 值约为 0.4，而板翅式换热器芯体 的综合性能最好，其 j/f 值约为 0.8。所以综合性能比较是：板翅式换热器管翅式 换热器管束式换热器。 图 1-6 典型换热器芯体的 j/f 值与 re 的关系曲线 1.2.3 板翅式换热器的设计板翅式换热器的设计 对板翅式换热器的设计包括：选择翅片的类型以及翅片的参数，考虑翅片通道 的排列方式，确定传热面积和传热系数，保证各股流之间能很好的吻合。 板翅式换热器的设计步骤简要地概括为 7 个步骤10： （1）选择翅片的类型，平直、锯齿、波纹翅片等等，并且选定其几何参数； （2）考虑确定流道叠置方式，逆流、顺流或错逆流等等； 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 7 （3）计算对数平均温差 12 1 2 ln m tt t t t ； （4）考虑传热系数和流动阻力的影响，确定流体的质量流速和翅片通道数； （5）在确保各股流协调一致的原则下，确定通道的排列布置方式； （6）进行传热计算，计算出准则数 re、st、pr 和给热系数、翅片效率、 表面效率 0 以及传热系数 k 和传热面积 f，并查得 j 因子和 f 因子； （7）计算流动阻力，也就是压力降。 1.3 国内外研究概况国内外研究概况 1.3.1 空冷技术的发展和国内外研究概况空冷技术的发展和国内外研究概况 德国的 gea 公司早在 1939 年就提出了在电站中采用直接空冷方式，1950 年， 在第四届世界动力会议上匈牙利的海勒首次提出了间接空冷。空冷机组广泛应用于 火电厂是从 20 世纪 70 年代开始的，伊朗、南非等国家大力发展了电站空冷技术， 南非的马丁巴电站拥有单机容量达 665mw 的世界最大的直接空冷机组，而南非的 肯达尔电站则拥有单机容量达 686mw 的世界最大的间接空冷机组。我国大力应用 电站空冷技术只有 20 几年的时间，在上世纪八十年代开始引进匈牙利的间接空冷 技术，90 年代初又从德国 gea 引进了直接空冷凝汽器技术，山西电力勘测设计院 于 1995 年开始与 gea 合作，并成立了合资直接空冷设计公司。2002 年之后，由于 国家的大力扶持，再加上在大型电站采用直接空冷系统投资少、防冻性能佳，电站 空冷技术在国内的发展势头良好，已经逐步形成规模11。 国外的学者们对空冷技术进行了很多的研究，国外的空冷技术发展已经相对完 善。meyer12等对空冷器外围风机的影响进行了数值模拟，发现了风机入口周围的 流体分离会影响空冷器的空气动力学特性。duvenhage13对空冷散热器的三维流场 进行了数值模拟，分别考虑了水平风沿空冷器长轴方向和纵向轴时情况。bredell14 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 8 对两种具有不同轮毂比而直径、 转速相同的轴流风机的运行性能进行了fluent模拟， 并得到了通过增加平台走道可以增加风机风量的结论。 preez15等对自然对流形式的 空气冷却塔进行了仿真计算， 讨论了设置挡风墙与否对 itd 值变化曲线的影响。 van staden16等为了研究周围环境横风对直接空冷系统性能的影响，建立了数学模型对 此进行数值模拟。此外，还有学者对空冷器进行了试验研究。salta17等为了研究空 冷凝汽器单元的空气流量的影响因素，对不同风机平台高度进行了试验研究，发现 外面空冷风机的体积流量总比里面的低，且风机平台高度越低，这种情况越明显。 meyer18等试验研究了多种不同带充气室的风机以及散热器的模型，研究了对散热 器出口速度场及空气流经充气室的流动损失的影响因素，发现了散热器的几何结构 和空气在其中的压力损失系数是影响较大的因素，并且知道了在散热器和风机出口 间的存在着临界最小距离。 随着我国的空冷技术如火如荼地发展，国内的学者也对此进行了大量研究。 高玉忠19对直接空冷凝汽器进行了变工况计算，并绘制出了其冷凝特性曲线，随着 环境温度的升高，空冷器的热负荷增加，压力上升速度加快。张国庆20则研究了不 利的自然风场对直接空冷系统的影响，提出了除了设置挡风墙以外的其他一些建议 措施。 周兰欣21等对 600 兆瓦的直接空冷机组建立了数学模型来计算其冷端系统变 工况，并编程计算了其冷端系统变工况特性曲线，分析了空冷器压力与管道压力损 失的变化特点。 赵文升22等则对直接空冷系统中非常典型的不利因素热风回流 现象进行了数值模拟，分析了产生原因及其导致的影响。胡汉波3对直接空冷式凝 汽器的翅片散热器进行了三维耦合对流传热数值模拟，并且对模拟数据进行回归分 析，得到了无量纲的换热准则关系式。张遐龄23等对空冷岛的流动传热情况进行了 数值模拟，并给出了改善空冷平台传热效果的建议措施。还有一些学者对空冷器进 行了试验研究，苏咸伟24等为凝汽器单元设计了传热性能测试系统，该系统可用于 测试空冷器的传热机制、表面热风回流等影响空冷器性能的关键因素。程伟良25 完成了空冷试验台的设计和计算， 以建立空冷实验室， 其中包括空冷台架本体设计、 吸入风机选择、蒸汽和水供应系统设计、试验测量仪器和试验测试系统设计等。顾 志福26等根据相似原理，利用风洞试验来模拟大型直接空冷系统，提出了可以用回 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 9 流率作为衡量冷凝器效率的其中一个指标，发现了空冷平台的高度和来流风速、风 向角对冷凝器效率有较大影响。 彭焕炳27等对一个 6 兆瓦的空冷电站做了热风回流 试验以确认热风回流带来的影响，结果发现，散热器四周的回流影响是不一样的， 热风回流最大会导致约 13.3%的散热损失，平均减小量约为 5.5%。 1.3.2 板翅式换热器的发展和国内外研究概况板翅式换热器的发展和国内外研究概况 1930 年，英国的 marston excelsion 公司就制成了板翅式换热器，翅片材料采用 铜及铜合金，该板翅式换热器被用于航空发动机的散热器；20 世纪 40 年代末期， 美国发明了应用于空分设备的切换式换热器； 日本的住友精密工业株式会社在 1954 年发展了自己的铝制钎焊板翅式换热器用于飞机制造业，并与 1958 年获得了钎焊 铝制板翅式换热器的专利；在前苏联，“全苏制氧机械研究院”研究采用板翅式换热 器生产大型全低压空气分离设备； 我国的板翅式换热器的研制始于 20 世纪 60 年代， 由杭州制氧机厂、开封空分设备厂、营口通用机械厂、上海第一五金厂等单位相互 协作，先后研制了 6000、3200、1000m3/h 的空分设备上用的板翅式换热器28。在 此后的生产过程中还是遇到了一些问题，后来机械工业部组织了研究小组对关键问 题和制造工艺集中地进行解决，系统地总结了板翅式换热器行业的发展和研究成 果，为我国板翅式换热器的发展奠定了坚实的基础。经过近 80 年的发展，目前， 世界上主要的板翅式换热器生产厂家大多都已经采用了真空钎焊工艺，取代了传统 的盐浴浸渍工艺。板翅式换热器因为其高效、紧凑、轻巧的特性，已经在能源与动 力工程、航空航天、石油化工、电子、冶金、机械等领域得到非常广泛的应用，非 常有效地降低了成本，充分利用了热能，节约了原料，减小了换热设备占地面积等， 板翅式换热器在不同领域的应用如表 1-2 所示28。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 10 表 1-2 板翅式换热器的应用领域 在国外已经有大量学者针对板翅式换热器做了研究，早在 1942 年，美国的 r.h.norris 就对板翅式翅片表面特性的实验数据进行了研究，后来美国斯坦福大学 的 w.m.kays29和 a.l.london 进行了大量的试验工作，给出了 56 种规格的板翅式 翅片表面的传热和阻力的关联式，他们合著的compact heat exchangers系统地总 结了他们两的研究成果，这本书对后来的板翅式换热器的研究设计以及应用作出了 很大的贡献。s.y.kim 等试验研究了多孔翅片的传热和流动特性，并且对百叶窗翅 片与带孔百叶窗翅片进行了比较，给出了多孔翅片的摩擦因子 f 和修正的传热因子 j 的关联式。 prasad30, 31通过分析板翅式换热器的传热机制， 建立了板翅式换热器模 型， 该模型适用于不同来流情况， 可计算出板翅式换热器的温度场。 德国的r.fehle32 等采用全息和干涉技术研究了板翅式换热器局部的换热，他们的研究表明，对某一 特定的雷诺数来说，管道半径越小则其导热性能越好。m.l.smotrys33等人研究了 产生沿翅片或者沿流动方向的涡流来强化板翅式换热器空气侧的换热。shah34, 35 等人对多孔翅片和平直翅片在层流状态下的流动传热进行了试验研究，分析了表面 传热、压降及流动特性。sparrow 等人提出了最早的数值计算模型，他们对板翅式 换热器在层流状态下的流动及传热进行了分析，他们忽略了隔板的板厚且将隔板看 作温度是均匀分布的。goldstein36等人对翅片间距为 1.65mm 且换热管半径为 4.25mm 的人字形换热器的传质系数进行了测试，发现其比平板式翅片的传质系数 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 11 高出了大约 45%。wang37和 kang38等人则分别对翅片管换热器进行了风洞试验研 究。peak39等人则对板翅式换热器中的用多孔泡沫铝合金制成的翅片进行了传热与 流动试验研究，得出了摩擦损失与传热效率跟孔隙率的关系。j.wang40等人制作了 一种新型的气-气板翅式换热器， 他们在焊接翅片的同时通过高温融化玻璃使其在金 属表面形成保护膜以免遭腐蚀，通过试验研究表明，翅片单位体积的表面积越大， 则换热系数和压降也越大。 当然，国内的学者同样对板翅式换热器进行了大量的研究。在试验研究方面， 董军启41等人对8种不同结构参数的百叶窗翅片进行了风洞试验， 分析了翅片高度、 翅片间距和翅片长度对百叶窗翅片的传热与流动特性的影响，采用3 j f 因子对这 8 种不同参数的翅片的强化传热效果进行了综合分析。结果表明，翅片长度对强化传 热影响最为显著。风洞试验系统主要由 4 个部分组成：试验段、气流驱动系统、试 验对象、观察和测量系统。李海凤42建立了测量板翅式换热器翅片的 piv 流场测试 平台，当流体流经翅片时，用 ccd 相机拍摄下粒子的图像，再经过处理就可以得 到可视化的速度场和流场平均速度。 宋虎堂43研发出了一种紧凑式的蜂窝结构螺旋 板换热器，其综合拥有板翅式和板式及螺旋板式换热器的优点。并且估算了其传热 与流动特性。张力44采用瞬态法比较研究了错开位置不同、高度不同的锯齿翅片， 得到了锯齿翅片的传热准则式子，分析了错开位置对传热特性的影响。庞铭、陈保 东45等人为了研究错列翅片板翅式换热器，采用计算机编程来进行数值模拟，研究 了传热因子、 摩擦因子以及翅片尺寸参数对流动传热的影响， 并推断出翅片高度小、 长度短、间距小、厚度大时适用于传热系数较大的场合。 近 20 年来，随着计算流体动力学 cfd（computational fluid dynamics）和计算 传热学的飞速发展，且由于 cfd 具有的成本低和能模拟复杂或较理想的过程的优 点，研究人员越来越多地采用数值模拟的方法进行传热、传质及燃烧、多相流和化 学反应等的研究。在国内，有很多学者利用 cfd 技术对板翅式换热器进行了研究。 祝银海46、厉彦忠等人根据流动和传热的对称性，选定锯齿形翅片的周期单元，并 且选取 4 个周期单元作为研究对象，上下两个面采用对称边界，左右两个面采用周 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 12 期边界，流体工质、翅片、隔板的两两相交面采用壁面边界的耦合类型，将模拟结 果与实验数据和经验关联式相比较，吻合较好。董其伍47、王丹等人采用三维数值 模拟方法对 7 种不同翅片高度、厚度和翅距的平直翅片进行了研究，采用标准层流 模型，压力和速度耦合采用 simple 算法进行，选取研究流道进口截面、1/3 处截 面、2/3 截面、出口截面处的温度分布云图和速度矢量图。张战48、侯海焱49等人 应用simple算法对错列翅片表面在中低雷诺数情况时的传热及流动特性进行了数 值计算，他们分别研究了单翅片、三翅片、五翅片及六翅片的情形，得到速度、压 力及温度分布图，分析了翅片数和翅片不同的排列方式对换热和流动阻力的影响。 张卫星50则以过增元先生的场协同理论为指导， 在利用 fluent 对锯齿翅片进行模拟 之后依据场协同下的温差均匀化原则提出了对锯齿参数的改良意见。 张丽娜51等人 对板翅式换热器建立了三维参数模型并划分网格和建立微元控制方程，应用遗传算 法对板翅式换热器进行了结构参数的优化。 王武林52等人对错列翅片板翅式换热器 进行了数值模拟，应用 simple 算法分析了翅片的结构参数对翅片表面的流动与传 热特性的影响，对改进设计错列翅片板翅式换热器有了更深刻的认识。田晓虎53、 李隆键等人对车用百叶窗翅片换热器进行了fluent模拟， 研究了其空气侧的速度场、 压力场和温度场，计算出了最有利于加强传热和减小流阻的结构尺寸。 1.4 本文的研究工作本文的研究工作 本文是对紧凑式空冷器的数值计算和强化传热研究，由于重点是基于翅片层面 的研究，所以可以简化为对板翅式换热器的研究。在传统的设计和研究中，一般是 在一定范围内改变翅片的结构尺寸，进行试验研究，比较不同参数时的翅片的传热 与流动特性，从而可以得到最优的翅片结构尺寸以及操作参数。由于板翅式换热器 结构紧凑，其内部流道中的流场和温度场很难用试验方法来反映。近年来，我们多 是通过计算流体力学（cfd）方法来进行优化。这样不仅可以大幅度减少试验的工 作量，并且可以清楚地了解翅片内部的速度、温度和压力等热力参数的分布、变化 情况。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 13 本文首先会依据热力学第一定律和热力学第二定律，对紧凑式空冷器的翅片单 元进行热力计算，由于翅片的边实际上可以看做是平板上添加肋片，所以可以将肋 片最小熵产化直接移植到翅片上来，计算出随着翅片尺寸参数和传热、流动参数变 化时，最小熵产数 ns变化的规律，从而依据最小熵产化原则对板翅式换热器进行 优化。然后，本文会采用商业 cfd 软件 fluent 对板翅式换热器的传热特性进行模 拟，对比不同翅片的翅片高度、翅片厚度、翅片间距等对换热器流动和传热特性的 影响，分析强化传热的方案。 本文具体工作如下： （1）在第二章中，介绍紧凑式空冷器强化传热计算的基础理论知识，包括： 基于传热学的计算方法和步骤，场协同理论的指导作用和计算流体力学（cfd）方 法。 （2）在第三章中，从热力学第二定律出发，对紧凑式空冷器的翅片进行了最 小熵产化研究，以两个复合参数 m 和 b 作为参考变量研究了平直翅片的最小熵产 数，参考、引用并整合推导出一些公式，最后得到在层流和湍流状态下的最小熵产 数公式 （3）在第四章中，根据第三章推导出的公式，尝试着用 matlab 对此进行计 算，得到了层流状态和湍流状态下的最小熵产数随对应着翅片长度的雷诺数的变化 曲线，再通过变换复合参数 m、b，得到最小熵产数的变化规律。 （4）在第五章中，简化物理模型，选取合理的对称单元进行建模、划分网格， 应用 fluent 商业软件进行数值模拟，对比研究迎面风速、翅片高度、翅片间距对传 热、流动的影响。 （5）在第六章中，总结本文的研究工作，展望后续深入研究的方向。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 14 2 紧凑式空冷器数值计算的理论基础紧凑式空冷器数值计算的理论基础 2.1 紧凑式空冷器的传热学计算理论基础紧凑式空冷器的传热学计算理论基础 本文主要是基于翅片层面对紧凑式空冷器进行强化传热研究，这一部分将会介 绍从传热学角度出发对紧凑式空冷器的翅片单元进行尺寸、传热方程式、翅片效率 等的理论基础知识。 2.1.1 紧凑式空冷器翅片的几何尺寸计算紧凑式空冷器翅片的几何尺寸计算 包含有隔板、封条以及翅片的一个完整传热通道的尺寸示意图如图 2-1 所示， 其中 le是翅片有效长度，be是翅片有效宽度，b 是翅片高度，y 是翅片内高，s 是 翅片间距，x 是翅片内距。 图 2-1 翅片结构尺寸示意图 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 15 翅片的当量直径 de是 4 倍的润湿面积除以湿周，即 e 42 2() xyxy d xyxy ，一 层通道的流体部分横截面积 e b axy s ，一层通道的总传热面积2() e e b fxy l s ， 其中一次传热面积 1 x ff xy ，二次传热面积 2 y ff xy 。 2.1.2 紧凑式空冷器的传热机理紧凑式空冷器的传热机理 在前面已经说过，我们对紧凑式空冷器的研究可以把板翅式换热器当做研究对 象，板翅式换热器又被称为二次表面换热器或者紧凑式换热器，其传热机理是间壁 式换热，板翅式换热器翅片表面的传热机理如图 2-2 所示，通过一次传热表面（隔 板）直接传给冷流体一部分热量 q1，同时主要通过二传热次表面（翅片）导热传给 冷流体大部分热量 q2。 二次传热表面的传热过程是沿着翅片高度方向进行的， 由于 翅片长度远远超过厚度，故翅片的导