（工程热物理专业论文）翅片管自然对流的换热分析及结构优化.pdf

山东大学硕士学位沦文 摘要 心竹的| l 然埘流换热在采暖散热器等设备j 有广泛的应用。 ! j 1 究趔”诤 f i 然对流换热删律小仪具有较高的理论价值还有较好的实际应用价值。 r 奉史刈趟1 箭f i 然对流换热规律进行了数值和实验两方面研究。通过刈jl 进行数值斡钟j 征基管为恒壁温和恒热流情况下不同结构尺寸的趔”竹i l 然对流情况4 。孙l j 的温度场和速度场。f 分析比较了各种不同结构j t 、jf 门翘 片箭的敝热姚律，发现相同翅片厚度、翅片央角、翅片高度和基管高艘的趔j j 前，封闭的趔i 形式优于丌放形式；对于封闭翅片，在翅片厚度、基管岛艘州 同的情况卜，巡片必角越大，翅片高度越高，翅片管周围温度场越趋_ _ j ：均匀， 换热越小明显。建、 了研究翅片管自然对流换热的实验台，通过实验测得了翅! ! 片管的温度分佃，然后用导热问题的反问题，计算出肋问自然对流局部换热系 数的离散分“，通过对实验数据的整理与分析得到了肋壁局部换热系数的分巾 和肋擘、 ，均换热系数的经验公式，从而验i ：了计算的f 确性。引入了犟铝舟嫂 t j 翅片高度比翘高比，分析了翅高比、翅片火角对平均传热系数、l j 均辐 射换热系数的影i 扪。以会属热强度最大为目标丽数，采用解多变量最优化f 、u j 题 的罐柄、轮换 ：、衔f 1 1 了翅片管的最佳结构尺j j 。 i 述，i 乃翘”僻散热器的设计提供了彳| i & 的胛论依拼：，剥l ：j 。柑峡， 川乓自匝婴的j 斤甘心义。， h 关键词：趔”谤n 然剥流辐射结构优化 l i j 尔大学领士学位论文 a b s t r a c t th 【、iir i f lc 、( ip in 【、h a sb e e nu s e dw id e ly inl h oh e a tt r a n s f e re q u i p r e e n t ， s u c ha s 1 ( 、a tin gr “l l i a t o r t h er e s e a r c ho n th en a t u r a lc o n v e ctio nh ( ，a l tr 。m s i l 、ic h a i h ( 、t ( 、r is t ic so ff i n n e dt u b en e to n lyh a sh i g h ly t b e e r l li ( v a iu eb u a l is v e r yu s e f u l in a p p ti ( ：a t io n 7 lh l th i i fh o f + ( ) ft h isa r t i c l eh a sd o n es o m en u m e r i c a la n de x p eri i l l ( 、州 r e s e a l c hw o r k ( ) nth eh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r is t i c so fan e wt y p eo f - f in i l ( d l u b e ( 、c 1 r d in gt o t h en u m e r i c a ls i m u l a t l o n t h ef l o wf ie i da n d l e m p e r a l l i r ed is t i i b u t i o na r o u n dt h ed i f f e r e n tg e o m e t r i c sl r u c t u r i - t i f in n e dtu b ea r e ( 、a l c u l a t e dr e s p e c t iv e ly a c c o r d i n gt ot h ed is p o s a ia n d t f l a lv s i 、o f ch ce x p e r i m e n t a ld a t a t h ed is t r ib u t i o no ft h ei o c a i 1 t 、 i i t h i l l s il 、lc o ( 、iii 【、io n t so ft h ef i n t h ee m p ir ic t l lf o r m u l a so ft h em e a nh ( 、 i l l f i n s l e rc ( ) ( 、if ic ie n t s a sw e l la sad i m e n s i o n l e s se q u a t i o no fn a l u hl i c o d v e c tio nh e n tt r a n s f e rh a v eb e e no b t a i n e d t h ev e r a c it ve f t h c n u m e r ic t 】s i 眦i la t i o nist e s t i f i e d t h e1 l a c t o f st h a ta f f e e tt h em e a nh c l t t h f f l s fe rc ( ) ( ，ff 、ic ie r t sa r ea r i a ly z e d 8 ym e a n so ft h em a t h e m ac ic a i p r o g r h n l l l l ln g th 。o p t i m a lg e o m e t r i cs tf e e t u r a l p a r a m e t e r so i t h e fi i l d t u b ea f eo b i 。l f i e f lw h e nt h em e t a lc a 】o r i f ici n t e n s i t y ist h em o s t 7 ih l 、h i v ofe s e a r c hw o r kish e l p f u lt ot h ed e s i g no ft h er a i d ia lor ， a n dil iss ig n ifi c a t i v ef o rm a n u f a c t u r ea n da p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：ii n n e dt u b er a d i a t i o r ln a t u r a lc o n v e c t i o n s tf u c t u f a lo p t i m iz a t jo n v j 尔大学f o ij j 学位沦义 主要符号表 1 热i ( i l 杉j m ! 阿任， d 砼，m 雨j 期l 速度，m s 2 每”t 乃米散热表面积的质量，k g m 二 对流换热系数，w i ( m 2 ) 基管高度，m 传热系数，w i ( m 2 ) 翅片高度，m 余倩热强度，w i ( k g ) ；热流鞋， 传热鞋，w 温度，。c 或k 温度， 传热温差，或k 体膨胀系数，1 k 趔j j 厚度，；过余温度，或 发制牢 趔 央角， 。 导热系数，w i ( m k 1 或w i ( m ) 奄瞍。蟾3 斯蒂芬一波尔兹曼常量，wi ( m2 k 4 1 下标 对流 流体 外径 辐射 1 i 均 母f v a j d g g h h k ，q q o t们莎f臼五p盯 t i l 东大学硕士学位论文 1 前言 1 1 我国住宅散热器的发展要求 近儿年柬，随着住宅建设逐步上升的趋势，散热器行业市场巨大，同州也 给敝热器提日 了更高的要求。根据我国经济发展规划，从2 0 0 1 年到2 0 1 0 年f j 1 年草年均建设住宅1 0 亿平方米，其中城市住宅年均建造量为2 5 3 亿x ，力 水。目前虽然出现了“j 新型的供暖方式如地板辐射供暖、电供暖、太阳能供 崾等等，但采用散热器的集中供暖和锅炉供暖仍是今后的基本供暖方式。因此， 九- 此形势下，如何丌发新的散热器，特别是住宅使用的新散热器，满足需求， 成为需要认真研究和解决的问题。 我国的散热器跃期以来以铸铁产品为主，但是铸铁产品有很多缺点。今火 f j 宅中配置的各种用具和陈设，其设计造型充分体现对时尚化、艺术化和精品 化的追求。所以，散热器应该既是室内设备，又是房间装饰，既是工业产品， 也是具有艺术要求的陈设。关注散热器外部造型、装饰和功能，是国外散热器 的重要卖点和设计创意的目标。产品设计制作的艺术化和人性化，是服务用j o 赢得f f j 场的重要品质，也是对我国散热器提出的新课题。产品开发强调技术 岂术相结合，散热器应该是能够满足人们舒适需求的、技术与艺术结合的、与 人亲平l l 的工业产品。 根据我国锅炉供暖系统的现状，为防止轻型散热器蚀穿，钢制翅片管型散 热器在产品轻型化后，将成为市场欢迎的耐用产品。因此有必要对其进行换热 研究及优化。 1 2 评价采暖散热器优劣的标准t t i 目日口我国生产的散热器种类繁多，而且还在不断的出现新的品种，如何评 价一种散热的优劣，对散热器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，散热器已经不再是单纯的采暖设备， 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，种优 良的散热器应该其有良好的热工性能，安装和维修方便，工艺简单，经济性寅：f 的特点。总的来说，评价采暖散热器的优劣应该从以下几点考虑： e l , 热工性能 f j j 东大学硕士学位论史 竹为采暖系统中的散热设备起作用就是对室内补允热沌以维持人们要求 f 门拳内温度。所以，散热器的热工性能是个重要的指柄i ，这指标应以散热 器在标准状态f 散热量米评价，以及与散热量有关的传热系数和金属热强度。 敞热量的大小与舰格有关。对于相同规格的散热器散热量的大小与结构漫 汁、加l 质量等有关。对于相同类型的统一规格散热器，从实验结果可知，不 川j 家，士产的产品散热量相差很大。同一规格散热器散热缝人时，说明结构设 刮合理，加工质量好。此值具有较强的可比性，它坷i 涉及许多可变因素，而 越刚人们关心和设计采用的主要参数进行比较，所以直接明确。 具体采用的参数主要有传热系数，余属热强度，散热量。当传热面积和温 芹一定的时候，用传热系数比较和用散热量比较是一致的。然而，当传热面积 卡j j 温差并不一定的时候，传热系数并不能说明某种散热器的好坏。幽于传热系 数k 是散热量q 与散热面积f 和温差r 的比，即，k = q ( a t f ) ，一般在讨 锋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，传热系数也刁i 能说明热工性能的好坏。单根光管就是在自然对流条件。f 传热系数最大的一一种 敞热器，但是，显然不是最好的散热器。加肋是增强传热的一种有效方法，加 肋后既增强了散热能力，在一定情况下还可以提高金属热强度。可是加肋后由 】肋化效率小于1 ，而计算表面积时将肋片面积均记入散热面积，这必然会造 成枷肋后强化了散热却降低了传热系数。如钢制板型敞热器，不加背面对流j j 时传热系数为l o 2 3w ( m2 ) ，而加了对流片后传热系数却变为 7 2 5 ( 奴) ，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 盼0 5 m m 的钢板加工的，加肋后会属热强度也由1 0 2w ( m2 ) 变为 1 0 4 w ( m2 ) ，可见加肋后，虽然传热系数降低了，但热量和会属热强度却提 高了。 与散热量有关的另一个参数是金属热强度，它的大小晚明了单位金属重量 的散热效率。当散热量和工作压力都相同时，重量大，会属热强度就低。该值 u t 以用来衡量产品对会属利用的热效率，研制和改造散热器应该注意提高该值， 以节省会属，降低成本。 b 美观程度 由于散热器是用于室内的采暖设备，它的外形如何对室内的美观起到很人 的影i 村。近些年来，随着建筑水平的提高，人们对散热器美观程度的要求越来 越高。 l i i 东大学硕士学位论文 炎州也十i r , - # b 形、表面颜色能与建筑装饰适应、协渊，除了这与还仃肌li ：时 的外j | = 三质鞋等。“些要求较高的建筑物，对采暖散热器的要求更侧蕾j i 外形美 观。h 外宵的同类散热器的外罩用较厚的钢板整体冲压成型，以求墩搿挺拔、 、l ，“的外观质量效果，美观酬用。这对我们有一定的参考价值。“散热器明装 1 ，刈外形美观要求的程度要高，在热工性能达到基本要求时，就町以注重考 啦j i 外肜的美观程度。当散热器安装或加罩时，对外形的荚蜕程度要求则较低 e ，m 要在结构上注意有利于放热。 c 安装使用 采暖散热器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 犍，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 、j 、州蚀要求，能够安全运行；易于清除灰尘，满足：i j 生条件。 d 经济性 经济性中一个很重要的因素就是散热器的使用年限。铸铁散热器虽然会属 c 譬人，外形不美观，但是它的寿命长，因而被人们长期使用。过去对钢制散 热器的运行腐蚀问题没有解决，因而使用年限较短，所具有的一些优点也就变 褂微不足道了。今天，为了防止轻型散热器蚀穿，已采取了很多措施，如内表 i f j i 防蚀保护等。从而使散热器的经济性有了很大的提高。 纾济性的另一个因素就是材料的成本和来源。 e 工艺性 j 、。应有可行的工艺保证质量，而且力争工艺简单，但是不能冈简化t 艺 m j 降低产：品的质量。另外工艺性还应包括便于自动化生产。 1 3 散热片散热过程分析 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 ，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j 。作过程就是一种典型的复合传热过程。在稳定的工况f ，一个复合传热过 w ，总t 叮以看作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1 f j 各自单独作用的总和。散热器外表面与环境空气之问的对流换热，以及与 v u 鲻譬面之间的辐射换热，同时进行，这时散热器的复合换热量可以表示为： q = q 。+ q ， ( 1 1 ) j i i i ： p 对流换热量，w ： 山东大学硕士学位论文 p犏刎换热硅，。 刈：乱换热啭为 q 。= h ，f ( f 。f ，)( 12 ) 【f f ： h 散热器外表面的对流换热系数，w ( m 2 ) ： ，i 散热器外表面面积，m2 ： ，分别为散热器外表晴1 与扁围空气的温度，。 散热器外表面面积f 与周围环境任一壁面面积e 之间的辐射换热量可按 式( 1 ： ) 计算 q ，= s 、d r f ( i4 一l 4 ) a 一一斯蒂芬一玻尔兹曼常最 5 6 7 1 08 w ( m ! k4 1 ： 1 1 _ = 5 i + ! _ 生l - s 2 毛z f 2e占2 ( 1 3 ) 又称为黑体辐射常数，其值为 。、址个修i l ! 太 - f - ，其值小j1 ，称为系统发射率或系统黑腹。f 、l 分 刖为敞热器换热表面和周围壁面的绝对温度，f 1 为周围环境任意壁面的表面 私 。只! 为f 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、 趴离和相对位置等几何因素，为无量纲数。毛和占：为曩和表面实际物体的黑 度。 为了使计算统，将式( 1 3 ) 写成与对流换热公式相同的形式，为此可以近 似的认为周围壁面的温度l 就等寸二周围空气环境温度7 1 ，这样式( 1 3 ) 就可以 表q 为 q ，= h ，( t 。一t ，) ( 1 4 ) i 1 ： 将式( 1 2 ) 和( 1 4 ) 代入到式( 1 1 ) 中得 q = ( 囊+ _ ) 只( ，一，) = h 。，f ( t 。一，) ( i 5 ) ( 1 6 ) 警型。 量 山东大学硕士学位论文 j l ： h 。：矗+ 矗，称为总换热系数，它等r 酣流换热系数和辐射换热系数之和+ 。 f i ： l 暖散热器t | 】所谓辐射器( r a d i a t o r ) ，典际是指含有辐射和对流两种 f 热方。，的散热器，f 热媒温度较低，辐射散热比例一般不足5 0 f ”，f i | j 埘 流器( 【，o r v c cl o t ) ，i j 足指几乎完全按照对流方式传热的敞热器。 彳1 m 然对流条件卜，散热片的结构参数是散热片散热的主要影响因素。 ，( 16 ) - ，】以看出，通过提高换热系数h 卅，增夫传热面积f ，都可以增人 散热量q 。当基确l 宽度一定时，假定传热温差( ，。一f ，) 和换热系数h 。不变， l 有增犬传热面积j 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，肋阳j 距必然减少，传热系数就会降低。 提高肋片的高度也可以增加传热面积，但是增加高度会使肋片顶部的局部 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散热片基部到端 郑的温度莠，高度越大，温差也越大，导致散热片表面与周围空气的平均温度 筹就随之降低，不利于散热。 散热片越薄，单位长度上散热片的数量就会越多，从而增大散热面积，强 化散热片的散热，散热片厚度增加，散热片表面和周围空气的平均换热温度筹 就会降低，刁i 利j i 敝热，但是，实际应用中散热片的厚度往往受到_ 1 。艺水甲的 限；制。 1 4 散热器表面肋化结构的研究 散热器表面肋化的方式很多，使用也很普遍，但是，专门针对供暖散热器 使用条件进行的肋化研究却不很多。通常使用的肋片形式主要有四种： 、峰直平行平面肋列结构 这是最常见的一种肋片结构形式，对于竖直平面肋片在自然对流情况下散 热过程的研究，最早在1 9 4 2 年，w e l e n b a a s 发表了论文，他所得出的结论不断 为后人的研究所证实和完善。n a n c yd f i t z r o y 在e l e n b a a s 对单独竖直平行平板 研究的基础上，综合各种层流状念下自然对流散热的平行竖直肋列优化的研究 成果，提出了便于工程实用的，对于自然对流情况下竖直平行平面肋列散热的 计算方法。 、m 断竖直交错肋列结构 往以后的讨论中，冈为我们关心的是平均换热系数雨l 平均辐射换热系数，闪此我彳j 把h 。 午h 都作为平均换热系数羊平均辐射换热系数。 5 - l i 东大学硕士学位论文 亿一t r 竖甑肋列基础j ：，刈j ：肋片几何状况进 改进和发展，变换助片农 彤状以改善传热的做法，在换热器中早已普通采f h 。衙存散热器这种特定的 换热设备上采j j ，上| _ | 还为数寥寥。 存自然对流情况f ，质量流量是由浮升力和摩擦阻力 、h j 的力学平衡决定的， i f u 通过散热器的空气流是不能人为控制的。当然，在强化自然对流换热时， 股也就刁i 能企图通过调整空气流量，来增强散热量。l 闰此，除对流器外，对 一般辐射器来说，因表面自然对流散热仍为主要途径，其强化技术就应着眼“j r 提高散热器自身的传热特性，而不是如何加速空气流动的问题。用间断交锚 修0 代替连续平行肋列设想的根据，是边界层和管内流动进口段的传热规律， 往边界层和管内流动进【 段，初始生成的、薄的边界层具有较高的传热系数， l 订当边界层加厚或管内流动进入热的充分发展段时，传热系数就会降低。所以 、 求一个不使边界层过分发展变厚的肋片形状，是一种科学的思路。间断交错 肋列，就是为抑制边界层过分发展而设计的一种肋列结构。这种结构，使用了 k 度较短的肋片，以抑制空气边界层的充分发展，而仅仅使每个肋片前沿的空 e 流动处于边界层初始段。很明显，问断交错肋列的应用，为传热系数的提高 提供了可能，但同时也会使气流通过肋列表面时的摩擦阻力增大，导致流速卜 阡，降低传热效果。f mn p n p r o w 和c p r o k a s h 进行了研究，得了有州沦 价值刷实心意义的结论。 还有两种是圆管方形串片结构和圆管圆形肋片结构。随着生产的发展，热 器肜层出不穷，f i ：多学者对此作了一定的研究，得到了许多新的散热片结构 或优化的结构参数，这蝗结构对于散热片的优化设计有着重要的意义。 史献 3 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。利用该法得到了 ( 1 ) 综合换热作用下矩形直肋中温度分布的公式； ( 2 ) 肋体散热量计算式； ( 3 ) 综合换热作用下肋效率表达式。 并分析了在极限换热情况( 纯对流换热和纯辐射换热) 及一般换热情况卜 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，j 能获得最佳肋效率。该线性解柝方法对其他形状肋的换热问题也j 以推广应用。 要分析计算过程如下： 0 因l _ 1 百肋儿何，t 寸及坐标系 建立如图所示坐标系，等截面直肋的温度分和的微分方程为： x a d 出- t 二一e c r ( 7 1 4 7 1 4 妙+ h u ( t 疋) 边界条件。为：x = 0 ，t = 瓦； 若肋端绝热，茁：上，塑：o 。 d r 以肋基绝对温度瓦为基准，对方程( 1 7 ) 无因次化，i r o ：丁疋， o + = t 瓦，0 。= l 瓦带入方程( 1 7 ) 中可得： 箬= 警p4 4 ) + 百h u l 2 妒训 其中， a 矩形直肋横截面积；l 肋的高度； u 肋的周长； s 肋的黑度： 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； ，环境辐射温度，不一定等于己： 口斯蒂芬一波尔兹曼常数，5 6 7 1 0 一w ( m 2 k 4 o 令，= c c r l l ( 了t ? 一l 2 。( = 百h u l 2 ，( 1 8 ) 式可简化为 朋朋”“ 筹= ，6 9 4 一矿) + f p 一以) ，l“ 刀 _ 鳓 j ；三 肛 山东大学硕士学位论义 边界舭) 1 ，烈= l = 。 利川线性近似解法解出毋，即，对流、辐射及导热刖时存在时直肋中的尤 渊次温度分柿规律。此处的线性近似解法原理是利川了泰勒中值定理，将- 厂( 曰) 丧示为。个( 口一口) 的多项式和一个拉格朗r 余项尺。之和，按照采暖通风与2 己 。i 调节设计规范g b j 】9 - 8 7 一般民用建筑物时没汁算温度1 8 ，热媒温度为 9 5 ，r o 0 6 6 ，简化处理以后，将口4 替换成关于0 和0 的函数，其中 0 ：塑譬兰盟，方程( 19 ) 就可以化成一个常系数二阶线性微分方程，解出0 ，刚 为剥流、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q = 一朋_ d t i 。求出实际散热量。 一州塑 利_ _ 2 而而巧爿褊籼撤牢。 义献【4 通过刈采暖敞热器肋片的散热状况分丰j i ，建、ij ，敞热器肋”传热过 程的物理和数学模型。利用数值计算的方法，对散热器肋片及传热的微分力稃 进行离敞，得到了肋片结构尺寸对传热影响的数掘，并据此数据对 i 标函数企 憾热强度进行优化计算，得到了采暖散热器肋片的最佳结构尺寸。会属热强度 是散热器技术经济性能的主要指标，其定义为散热器内热媒平均温度与室内夺 气相差l 时，每公斤质量散热器单位时间所散出的热量。金属热强度的值越 大，说明散出同样的热量所耗散的金属量越小，其经济性越好。 会属热强度的计算公式为： q = k gw ( 堙- ) 其中k 散热器的传热系数，渺( m 2 、) ； g 一散热器每平方米散热表面积的质量，妇所2 。 散热器肋片传热系数k 的计算公式为： p = 删0 。一t ，j 足：_ r 旦 确+ 一f f 山东大学硕士学位论文 必f io 散热器的散热量，w ； a 敞热器的散热表丽积，m 2 ： ，散热器内热媒的温度，； ，散热器环境流体温度，。 舍幅热强度是散热器技术经济性能的主要指标，q 的值越人，说恻散f 司 f 彻0 热 荷所耗散的余属量越小，其经济性越好。q 为优化的f 1 标函数。 文献f 5 中，假定传热为稳态，肋片是漫灰体，常物性，肋片温度j 随肋高 变化，眦尖绝热，肋阳j 壁面温度均匀，等于l 。对一梯形肋片建曲：数学模型并 列f f ：办程组，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 | ：顿迭代法修f ，最后求出温度分布，然后用傅罩叶定律求出每个肋片的散 热鳢。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 刈肋i 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 足f i 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 片根郝厚度的变化对肋片性能的影响不大。坏境温度对肋片有效度影响不大。 j j j j 缺温度越高，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 备融贵的铜或铝是不经济的。 以i 文献都是采用了数学方法，对直肋片建立了微分方程，简化其边界条 亿利川备种数学算法，对其求解，从而得到最佳的结构参数。刈肋片结构的 敞热器的优化设计有一定的指导意义。 文献 6 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，锊径，翅间距，罩高对散热器热工性能的影响，翅片问的对流换热系数利 j l jl 二有的竖平板通道的自然对流换热公式 7 1 计算： ， 一_ 1 n u 。= 1 9 r a 2 + 2 8 3 ，r dy “ r 。= p , g p ( t 。一，。) 6 4 ( 厅矿) 采用修f 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 i i 并螺旋翅片管簇散热量的半理论计算方法，利用计算机分析了各影响凼素对 敞热器换热量影响的程度，以会属热强度最大为优化目标，给出了咳类型散热 器的最佳结构参数族。 史献【8 】介绍了队列管式换热器的改进所采取的一些优化措施，例如，上下 联箱的间距及尺寸，列管形状、尺寸及间距，增强对流换热的小型串片的片i h j 1 i 东大学硕士学位论文 趴及 i 片管的袱数。刈j ：碍! 论分析没有给出说明。 文献f 9 】设汁了 种全新的铝合金散热器，肋片屯柱的中一1 1 , 设讨为圆筒型， 一淞钉四条主肋片，其t ，四条主肋片每条还带有两条直肋，这样不仅增大了散热 积，而且支肋存对流通道中还起到加大空气扰动的作用，肋片问流动通道与 敞热器【：方外罩空隙相对应，加大对流换热：且立杜i ：f 横管对l s 型为波纹 截r ，对l s i i 型为带肋片的圆管，可加大换热面积及气流扰动，形成独特高效 f f j 传热结构。 划其进行了简化理沦分析： 空气侧努谢尔特准则i l o l n ，= c ( g ，p ) ”( c = o 5 9 ，疗= 0 2 5 空气对流系数 口! = n 。五h 水侧努澍尔特准则 n ，= o 1 1 6 r 。2 “一1 2 5 p , i 3 1 十( d h ) 2 ” ) ( ，。) 4 水的对流换热系数 口l = n 。 d 1 j i ：对其进行了。史验，测得了实际散热量与理论敝热量，j f ：画出了它们，温 謦的曲线，表明理论简化分析和计算是合理的。 文献【1 1 】分析了原标准k 翼型散热器的优缺点，依据传热学原理和产品型式 哎汁原则，介绍了种新型的铸铁多翼型散热器。重点介绍了这种新型的铸铁 多翼型散热器的设计原则、技术措施及产品实际热工性能。例如，保留长翼型 敝热器的基本优点，大小片合理组配；合理肋化，增大肋化系数：中问开刀， 增加横向气流通道；减肥，减重，采用油芯铸造。对它的理论依据没有多做具 体分析。 文献【1 2 】介绍了一种薪的建筑用异型铝合金散热器的开发应用。主散热片 的b 区部分为二次散热区，具有较好的“烟囱效应”，有利于冷热空气的循环。 文献 1 3 】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 问的经验公式： 口。，= a 式中，a ，k 为叫归系数。相关系数在o9 8 以上。 山东大学硕士学位论文 t f = 得剑了自然对流换热的准则方程式： n 2 ，：13 9 2 9 7 r ( 严3 ”e o0 3 4 9 3 k 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肆； ”敞热器的最佳结构尺、卜 综f ：所述，d 口人对散热器的研究已经取得了一定的发展，为我们进步研 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，作 j 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，| j | r 敞热器的形状各式各样，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。 1 5 本文研究的主要内容 日自h 随着散热器行业的发展，散热器种类繁多，而h 还在不断的出现新的 a 利，。但是对这些新形式的翅片结构所作的换热分析和结构优化并不多见。水 丈所研究的翅片管作为一种散热元件，在实际应用中已经广泛存在，所以有必 要对其换热进行分析和研究，以得出其换热规律，并据此对其结构进行优化， 得到一系列最优的结构参数。 如图1 2 所示，为本文研究对象的结构示意图。其翅片形式主要有两种： 外式翅片和封闭翅片。翅片管高度为h ，翅片管外径为d 。翅片高度为，趔 片央角为e ，翅片厚度为艿。翅片与基管是由相同材料构成的整体。 封1 ：d 1 翅片开式翅片 幽1 2 研究对象儿何示意图 趔片厚度占= 1 m m ； 翅片管外径d ，= 4 0 m m ； 翅片管高度h ，翅片高度，翅片火角0 及翅片形式可以在定范围内变化。 山东人学硕士学位论文 l “i i h 面我彳j 对散热器的散热过程的分析来看，散热器的散热j ! 要超f ，= f 然刈 流换热和辐射换热。但是在工程中有很多自然对流换热问题的理论解很难获得， i 。要是因为流道和边界条件比较复杂，很难对其进行合理的简化与假定。而作 耍验手段上，当代流行的是采用激光_ 十涉和全息摄像法来研究自然对流换热问 题的温度场，但对于管肋式散热器肋片问通道受管壁的遮蔽。用光学的方法有 定的困难。为此本文主要通过数值计算得出自然对流条件下翅片管的温度分 巾，并通过实验测定出实际翅片管的温度分布对计算结果进行检验，进而讨算 局音| j 自然对流换热系数和平均换热系数，得出其换热规律。通过改变翅片管 的几何参数：基管高度h ，翅片高度，翅片央角o ，翅片形式分别在基管热流 密度相同和基管温度相同的情况下，通过数值计算求出翅片管及其周围空气的 温度场。然后通过实验验证计算结果的准确性，得出各个几何参数与散热量的 天系，最后以会属热强度为目标函数对其结构进行优化。 散热片作为一种传热元件广泛地用于人们的生活和生产之中。前人对散热 片的研究大致可分为两类：一是采用实验手段，在一定范围内改变散热片的结 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： 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。在对散热器散热过程的分析和前人所作研究的基础上，本文作者采 j tj 数值计算和实验t f ! ) 究年f | 结合的方法对散热器翅片销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 翅片管自然对流换热的数值计算 2 1 概述 实验是实际脱象q t 父键过程的合理再现和深化，是研究机理和规律的主要r 段，但计算机模拟以汁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。j ：对客观规律的深化，在【程设计中有着积极的作用。 散热器翅片管的散热在达到稳定后实际上可以看作是稳态导热与自然对流 换热与辐射换热的复杂耦合问题，这罩的所谓“复杂”主要包括以下几方位j 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 ) 换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 ) 换热力 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，应用有限 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 1 4 l 。这罩我们采用了整体求解法，所谓整体求解法，即把不同屠。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，需要找到适合予不同区域的通用控制方程。这样不同物质区域耦合界蛳 处于求解区域的内部，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涮的反复迭代，使洲锋 时1 日j 大大缩短。但是，若要得到乖确的解，则必须保证在求解过程中，耦台界 衙t 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) 对散热器翅片管的稳态 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 p h o e n i c s ( 3 3 ) 是英国c h a m 流动与传热模拟丌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 山东大学硕士学位论文 浊的 1 ) 进行压力速度联解，它”f 以求解一维至j 维、稳态或非稳各、i ，儿l i 幻f 1 域小1 j j l ：缩、亚音速至超音速，廿项或多项条件卜的流动和传热问题。它还 j 以 妾嘎j h 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) ，l 成的t 纠i 模掣史( 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 h i g h z f j o w h i g h z f l o w w e s t j l 卜e a s t s o u t h e s t 二l 卜e a s t s o u t h 臣i21 离淑不意幽 劁21 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 乃氍离散化得到代数方程解，其统形式是： 掣十毒一等卜 呸 即，逊o t + 必o x ：嘉( 黟+ o ( 2 l b ) k阮”出”。， 1 0 j 4 ：q 1 是广义变量( 如速度、温度、浓度等) ，r 为相应于矿的广义扩散系数， 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 孕 4 = d n 审n + a s 审x + 1 7 ；咖”+ q 垂h + n h 毋q + n f 由f + nr 垂l + s( 2 2 ) j er i ： “，= 口+ c t s + 口，= + 口+ a ，+ 口，+ a 7 山东大学硕士学位论文 畦i j ， f f ，呼+ a 嚷+ a 味+ 口n 峻+ a ，哮，+ “，哼+ 1 2 1 呼+ s 毕? j 一 一d l 。+ n w + a n + ns + h i t + a | + d | + nr 这 代表变量，下标p 、e 、w 、n 、s 、h 、l 表示咳变量所处的位智。 p j 、t 代表f i l j 步时问的值，a 表示系数，暂日寸把它们当作常数处理，卜标n 、s 、 e 、w 、h 、l 的量表示相邻的网格通过扩散和对流发生的相0 ：作刖，而a ，表示 = 定常性- 。s 和a ，表示源项的影响。系数口具有单位时间内质琏的量纲，因 旷已们随网格几何尺寸的大小而发生变化。源项对网格中变量毋的贡献是 s a , 。称为源项线性化公式，它有助于加速收敛，从而减少计算费用。 p h o e n i c 主要采用了s i m p l e s t 算法，s i m p l e s t 是s i m p l e 的延伸， i 婴宵以f 两个特点： 1 对流项采用迎风格式因为这是一个绝对稳定的格式，且扩散项与对流 项的影响系数可以分离丌来，不像指数或( 乘方) 格式那样综合矗：起。至j 二 1 1 1 迎风筹分所引起的假扩散问题，则采取逐步加密网格、以获得与嘲格稀密程 瞍见天的解这种做法加以克服。 2 把邻点的影响系数表示成对流分量c 。及扩散分量d 。之和，并把埘流部 分个部9 f 源项，于是对u 的动量力程为： “。“。= ( d 柚+ c 柚) “。 + 6 + 爿。( p r 刖 = d 。 “。+ ( 6 + c 肿“： ) + a ( p 厂p ，) i t i 此u r 见，当扩散项略而不计时，动量方程实际上采用了雅克比( j a c o b i ) 的点 迭代求解。 p h o e n i c s 的总的思想有以下几点： 1 把边界条件处理成方程中的某种类型的源项； 2 把源项( 也是边界条件) 表示成特定的形式用系数c 和值v 表达； 3 p h o e n i c s 的s a t e l l i t e 通过称之为c o v a l 的命令来接受用户对这 n j 源项的规定信息； 4 通过另一个称之为p a t c h 的命令告知p h o e n i c s 哪些网格受陔源项( 或 边界条件) 的影响。 山东火学硕士学位论文 2 3 研究对象及数理模型 以l 割l2 为研究的物理模型。假设散热器翅片管材料均匀，l j 符向l d 忡： 稳态：所叫究的埘象竖直放置在环境温度为r 的空间中，将基管看作热源，旗 什和趔儿结合处为导热和对流换热的耦合问题，翅片管周围空气发生i 。i 然对流 换热，i l l i ：，近似地把问题看作是三维、稳态、常物性、有内热源的垮热平| j 划 流换4 ； t i l , j 鹃合问题。在直角坐标系下，所研究对象的通用控制方程组为： 连续。h 力雅： 旦剑+ 旦+ 旦：o d x o y o z 动量方程： 舢，豢+ v 熹+ p c w 罢掣+ 兰( 俨，祟) n o o zm呶孤 + 晏( 肛y 祟) + 兰( y - 砒= s - ) 斜钟0 z“ 夙，西加a ( 印)d ，加、 “瓦+ ”石+ p c ”瓦一亏+ 丙( 肛7 瓦) + 晏( v 罢) + 兰( y 尝) d y泖出d z 舢，安+ p c v 祟+ p e w 譬一腭一t p c p c a 妇j + 吴( y 娑) 舢。面+ ”瓦瓦一腭一爱铒丽( 7 瓦) + 若( y 考) + 壶( 肛y 老)i 口vc o zo z 能量方程： “蓑+ v 嚣+ w 警= 昙c t p c l , p c警，+ 南c 等嚣，“瓦+ ”面+ ”瓦2 瓦百瓦) + 面等面 + 兰( 华竺) 帆 a z 、p a z 。 。j 或 肛“罢+ v 孑+ p c w 警= 昙c 等警，+ 导c 等嚣， 山东大学硕生学位沦文 + 晏( 华婴) ， 8 z ? pa z ” j j 这种乃 、水得的比焓h 的值实际上就足温度值。冈此叮以将t 述方利纠 - ”仃天的焓的例蟛i 值及边界条件中有关烩的值均给成相应的温度值。 边抖条什： 一b i l 毽泻6 。h f 钞亡卜 壁管湍瞍7 ：= 7 5 ，周围空。i 的温度t ，= 2 0 舀：螭铃外农【f 【1 一a 婴：呸( 瓦一一) o n 恒热流情况卜 基管热流晕口= 8 5 w ，9 5 w ，1 0 5 w 基管的属性设置为等壁温或等热流密度，选择好翅片的材料、物性之后， 保持缺省值不变。l b 于研究的是大空问中的自然对流问题，故计算匦域取为1 x1 lm 1 ，翅片管底面高度为0 1 m 。由于翅片管表面与空间有温度差别，因 此：者之问存存i 辐射换热。由于本文采用整体求解法，所以二者之洲的辐射换 热量看作吲体一气体界面上相邻的网格单元中的内热源，假设翅片表面为等温 嘶温度为z ，一叫温度为l 则二者之间的辐射换热量如盼面式( 1 3 ) 所示： q ，= 、d e ( 14 一疋4 ) l t 。曼! 了匝 s lx i2es 2 舀：p h o e n i c s 中，通过p a t c h 和c o v a l 命令定义每个辐射热力区域的 边界条件和类型。 由于散热器翅片管的温度不高( 一般不超过9 5 。c ) ，g ，在1 0 4 3 1 0 9 之 间，所以区域介质采用理想状态气体，假设空气的流动为层流，除了动量方程 中的浮斤力项中的密度之外，其它物性参数皆为常数。即，引入了b o u s s i n e s q 假设： p = p 。d 一( 卜f 。) 】 其t h 口足体积膨胀系数： 肛( 三乳 山东大学