平直翅片管传热与阻力特性的数值研究

1 太 原 理 工 大 学 毕业设计 论文 任务书 第 1 页 毕业设计 论文 题目 毕业设计 论文 题目 平直翅片管传热与阻力特性的数值研究平直翅片管传热与阻力特性的数值研究 毕业设计 论文 要求及原始数据 资料 毕业设计 论文 要求及原始数据 资料 1 毕业设计 论文 要求 毕业设计 论文 要求 1 了解强化传热技术的发展 平直翅片管强化传热的机理及此换热设备在实际中 的应用 2 了解翅片管换热与阻力性能研究进程及国内外研究发展现状 3 了解用数值方法研究翅片管换热问题的优越性并掌握数值解法的基本原理 4 初步掌握 GAMBIT 软件构建三维模型 划分网格 使用 Fluent 软件数值求解并 对实验数据后处理分析的基本方法 5 初步培养严谨的科研素质和独立工作的能力 2 原始数据 原始数据 平直翅片管式换热器在空调制冷 电子器件散热设备中最为常见 通常管子以 叉排和顺排两种方式排列 且流动换热在不同结构通道内各不相同 其流场与温度 场可用周期性的流动与换热模型进行模拟 具体问题如下 流体横掠平直翅片管管束 管内外流体形成交叉流动 由于管束通道结构的对 称性 计算区域的物理模型取整个宽度的一半 间距的一半来进行 横向尺寸由管 间中分面和管子中心纵剖面界定 高度由翅片厚度中分面及翅片间距中分面来界定 所以 本文仅取一个单元周期区域研究即可 见图中虚线所围部分 假设流动介 质为不可压缩空气 物性参数为常数 忽略重力影响 流动为三维 稳态的层流且 已进入周期性充分发展段 翅片管基本尺寸保持翅片厚度为0 2mm 管径10cm 翅 片间距为1 6mm 管排纵向间距为22mm 横向间距为16mm 空气物性参数为 2 第 2 页 3 mkg1225 smkg101 7894 5 KkgJ1006 43Cp 管外壁面温度恒定 KmW0 0242 K318Tw 计算区域结构示意图 3 第 3 页 毕业设计 论文 主要内容 毕业设计 论文 主要内容 通过对富氧燃烧技术的认识 了解该技术对节能 减排 降耗的适用性 并从 技术 经济两方面研究该技术对电站锅炉的影响 能够提出解决一些问题的方案或 者建议 第一部分绪论 第二部分平直翅片管换热流动模型建立与分析 该部分主要分析了平直翅片管通道的流动特点 描述了本文所 研究对象的构建及计算区域的选取 并讨论了相关参数的计算方法 及模型计算定解条件的确定 第三部分平直翅片管数值模拟及 CFD 简介 该部分主要介绍了数值传热学理论及常用数值解法 并分析实 验法 分析法和数值解法各自的优势 描述了 CFD 理论思想基本概 况 利用 GAMBIT 对计算区域离散的方法及 FLUENT 数值算法的 选取 第四部分翅片管数值计算结果及分析 该部分主要针对不同结构尺寸的平直翅片管数值模拟的结果 速度场 压力场及温度场 进行显示 并对数据整理 分析其各 因素对翅片管换热与阻力特性的影响 第五部分结论 学生应交出的设计文件 论文 学生应交出的设计文件 论文 毕业设计一份 4 第 4 页 主要参考文献 资料 主要参考文献 资料 1 李祥华 宋光强 几种新型换热器的特点及使用状况对比 J 化肥工业 2001 9 1 78 80 2 刘卫华 百叶窗型和波形管片式换热器性能实验研究 J 石油化工高等学校学 报 1996 9 2 49 53 3 孟继安 基于场协同理论的纵向涡强化换热技术及其应用 D 北京 清华大学航天航空学 院 2003 1 5 4 陶文铨 计算流体力学与传热学 M 西安 西安交通大学出版社 1991 4 7 5 康海军 李妩 李慧珍等 平直翅片管换热器传热与阻力特性的实验研究 J 西安交通大 学学报 1994 28 1 91 98 6 柳飞 何国庚 多排数翅片管空冷器风阻特性的数值模拟 J 制冷与空调 2004 4 4 30 33 7 宋富强 屈治国 何雅玲等 低速下空气横掠翅片管换热规律的数值模拟 J 西安交通大 学学报 2002 36 9 899 902 8 徐百平 江楠等 平直翅片管翅式换热器减阻强化传热数值模拟 J 石油炼制与化 工 2006 9 37 45 49 9 屈治国 何雅玲 陶文铨 平直开缝翅片传热特性的三维数值模拟及场协同原理分析 J 工程热物理学报 2003 5 24 826 829 10 刘建 魏文建 丁国良 翅片管式换热器换热与压降特性的实验研究进展 J 制冷学 报 2003 3 25 30 专业班级 热能 0703 班 学生 张 谦 要求设计 论文 工作起止日期 2011 年 3 月 14 日至 2011 年 6 月 18 日 指 导 教 师 签字 日期 2011 年 3 月 10 日 5 教研室主任审查签 字 日期 2011 年 3 月 10 日 系 主 任 批 准 签字 日期 2011 年 3 月 10 日 平直翅片管传热与阻力特性的数值研究 摘 要 平直翅片管式换热器作为热力系统和制冷空调装备中的一个重要部件 对其换热 性能的研究一直是科研人员热衷的课题 尽管它在结构的紧凑性 传热强度和单位金 属消耗量等方面逊于板式或板翅式换热器 但平直翅片管换热器以其能承受高温高压 适应性强 工作可靠 制造简单 生产成本低 选材范围广等优点 仍在能源 化工 石油等行业得到广泛应用 因而 对其翅片管束通道内的流动与传热问题的研究具有 十分重要的意义 本文针对平直翅片管内的流动特点 主要对以下内容进行研究 简单概述平直翅 片管研究的动态及现状 并在对比分析对其进行实验法 分析法及数值方法的优劣的 基础上 确定本文采用数值方法 使用 GAMBIT 软件对不同结构尺寸的平直翅片管建 立物理模型 并通过 FLUENT6 2 软件对其翅片管通道内的流动进行数值模拟 计算 Re 数与努塞尔数 Nu 阻力系数 f 的关系 分析流动参数 Reynolds 数 翅片间距 管 排数 翅片管管排间距 横向间距和纵向间距 等因素对平直翅片管流动与换热性能 的影响 探讨不同结构通道内的流动特征及阻力特性 为工业应用上平直翅片管结构 的设计和改进 优化分析提供理论依据 关键字 数值模拟 平直翅片 层流流动 流动换热 Numerical Study on Heat Transfer and Pressure Drop Characteristics of Plain finned Tube ABSTRACT As plain finned tube is an important component for thermal systems and refrigeration and air conditioning equipment the study for its heat transfer performance is always a hot topics for researchers Although its compact structure heat transfer efficiency are lower than plate or plate fin heat exchangers plain finned tube heat exchangers have also being widely used in the energy chemical oil and other industries for its many advantages which contained withstand high temperature and pressure adptable widely reliable simple manufacturing low costs and wide selection Thus studies for the flow and heat transfer of finned tube bundles are of great significance Aim at the flow characteristics of plain finned tube this paper will study the followings Simplely overview the study progress and present stuation of plain finned tube and on the basis of comparative analysis the goods and bads of three research methods experimental analysis and numerical method we determine use Gambit software to bilud physical model for different size tube structures and use Fluent6 2 software to study the flow in the finned tube channel then calculate the relationship between Re and Nu number f resistance cofficient and analyze Re fin pitchnumber of tube rows row spacing of fin tube horizontal spacing and vertical spacing the impact on the plain finned tube s flow and heat transfer performance so as to provide a theoretical basis for the disgn improvement and optimization of plain finned tude heat exchangers Key words numerical simulation plain fin laminar flow heat transfer 目 录 摘 要 I Abstract II 第一章 绪论 1 1 1课题背景及研究意义 1 1 2翅片管强化传热的数值解法 4 1 3平直翅片管换热器的研究进展及成果 7 1 4本文的主要研究内容 11 第二章 平直翅片管换热流动模型建立与分析 12 2 1平直翅片管换热与流动特性物理过程的描述 12 2 2平直翅片管换热器物理模型的建立 12 2 3平直翅片管数学模型描述与简化假设 14 第三章 基于 Fluent 平直翅片管数值模拟及 CFD 简介 18 3 1常用数值计算方法简介 18 3 2CFD 概述 20 3 3FLUENT 软件概述及 GAMBIT 简介 22 3 4平直翅片管基于 FLUENT 数值模拟 24 第四章 平直翅片管数值计算结果及数据分析 27 4 1迭代残差图 27 4 2雷诺数对平直翅片管换热与压降特性的影响 27 4 3翅片间距对平直翅片管换热与压降特性的影响 32 4 4管排数对平直翅片管换热与压降特性的影响 33 4 5管排横向间距对平直翅片管换热与压降特性的影响 35 4 6管排纵向间距对平直翅片管换热与压降特性的影响 38 4 7管排方式对平直翅片管换热与压降特性的影响 40 结 论 43 参考文献 44 外文原文 47 中文翻译 53 0 第一章 绪论 1 1 课题背景及研究意义 1 1 1 强化传热技术概述 强化传热是上世纪六十年代开始蓬勃兴起的一种改善传热性能的先进技术 它的 任务是促进和适应高热流 以达到用最经济的设备来传输特定的热量 用最有效的冷 却来保护高温部件的安全运行 以及用最高效率来实现能源的有效利用 正因为如此 传热强化在工业生产中有着十分广泛的应用 无论在动力 冶金 石油 化工 材料 制冷等工程领域 还是航空航天 电子 核能等高技术领域 都不可避免的涉及热量 的传递及其强化问题 而换热器作为一种传热设备成为工业生产中不可缺少的设备 1 据统计 在现代石油化工企业中 换热器投资占 30 40 在制冷机组中 蒸发器 和凝结器的重量占机组总重量的 30 40 动力消耗占总值的 20 30 在热电 厂中 如果将锅炉也视作换热设备 则换热器的投资约占整个电厂总投资的 70 左右 2 因此 换热设备的合理设计 运转和改进对于整个企业投资 金属耗量 空间以 及动力消耗有着重要影响 近十几年来 世界面临着能源短缺的局面 为缓和能源紧张的状况 世界各国竞 相采取节能措施 大力发展节能技术已成为当前工业生产和人民生活中一个重要课题 采用先进技术 节能降耗 倡导低碳生活和绿色的生存模式 提高能源有效利用率势 在必行 正是出于这种目的 许多学者对强化换热技术进行了大量的研究 提高换热 器的换热效率来节约能源 换热设备的合理设计 运转和改进对节省资金 能源和金 属是十分重要的 因而强化换热对国民经济发展具有重大意义 强化传热是实现换热器高效 紧凑换热的主要途径 其基本元件的开发研究一直 备受关注 各种行业对强化传热的具体要求各不相同 但归纳起来 强化传热技术总 可以达到下列目的 2 1 减少初设计的传热面积和重量 2 提高现有换热器的换热能力 1 3 使换热器在较低的温差下工作 4 减少换热器的阻力 以减少换热器运行时的动力消耗 5 提高换热器的换热器能力 同时使得增加的阻力不至于太大 其中 方法 5 是一种崭新的强化换热的方法 由于很多传统强化换热的方法会明 显带来流动阻力的大幅增加 而很多时候阻力增加的代价是大于换热增加带来的效益 的 出现这种情况就会得不偿失了 方法 5 追求的目的是能够在换热系数和流动阻力 这两者之间做一个较好的权衡 起到减阻强化传热的效果 3 不同的强化传热技术可 满足不同的要求 如减少初次传热面积以减小换热器的体积和重量 或提高换热器的 换热能力 或增大换热温差 或减少换热器的动力消耗 这几个目的不可能同时满足 因为它们是相互制约的 在选择某一种强化技术前 必须先根据其具体任务 对设备 体积 重量 投资及操作费用进行综合平衡 4 现在 对传统换热器设备强化换热研究主要集中在三大方向上 1 一是开发新的 换热器品种 如板式 螺旋板式 振动盘管式 板翅式等等 这些换热器设计思想都 是尽可能地提高换热效率 二是对传统的管壳式换热器采取强化措施 具体说来 就 是用各种异型管取代原来的光管 现在较常用的有螺旋横纹 螺纹管 横槽纹管 波 纹管 内翅管及管内插入强化物质 三是换热设备的强化与用能系统的优化组合 就 是说按照能量的品味逐级利用 使用能的流程处于最合理的搭配 降低能耗实现全系 统的节能 无论是在壁面增加粗糙表面还是利用插入物来强化传热技术 虽然传热效 果有了很大的改进 但这些方法有许多缺点 例如换热管的加工制作工艺过于复杂 增加金属消耗量从而增加换热器重量 又易于造成管子堵塞 换热能力增强的同时 阻力也相对增大许多 从而造成运行成本的提高等 因此 它们在强化效果 加工造 价 流道通畅 使用寿命 流动阻力等方面上都有待改进 尤其在上述诸性能的综合 性能上参差不齐 需要探索更合理的方式 5 1 1 2 翅片管换热器强化传热技术 在强化传热方法研究中 换热器气体侧的传热热阻是提高换热器传热效果的主要 障碍 对流换热强化技术在气体侧的应用要综合考虑许多因素 首先要确定流体的流 态 即层流或湍流 在层流对流换热情况下 流体速度和温度呈抛物线分布 从流体 核心到壁面都存在速度和温度的梯度 因此对层流换热所采取的强化措施是使流体产 2 生强烈的径向混合 使核心区流体的速度场 温度场趋于均匀 壁面及壁面附近区域 的温度梯度增大 进而强化层流换热 在湍流对流换热情况下 由于流体核心的速度 场和温度场都已经比较均匀 对流换热热阻主要存在于贴壁的流体粘性底层中 因此 对湍流换热所采取的主要强化措施是破坏边界层 使传热温差发生在更加贴近壁面的 流体层中 增强换热能力 6 但由于气体导热系数和比热都比较低 即使是湍流换热 也无法实现较高的换热系数 所以 此时采用增强流体扰动 提高换热系数的方法对 空气侧换热效果影响不大 增加换热量更有效的方法应该是扩大换热面积 采用附加表面来增加换热面积 减小流体通道的水力直径 从而改变通道内温度 场的分布就是强化空气侧换热最常用的手段之一 翅片管换热器 如图 1 1 就是基 于上述原理制造出来的 翅片的发展主要分为三个阶段 连续型翅片 间断型波纹翅片和带涡流发生器的翅 片 其中 连续型翅片包括平直型 波纹型等翅片 间断型翅片包括百叶窗翅片 错 位翅片等 带涡流发生器翅片主要是通过涡流发生器产生横向涡和纵向涡来使换热强 化 虽然翅片类型已由平直翅片向波纹片 百叶窗 冲缝片和穿孔翅片等多种高效形 式演变 平直翅片的强化传热效果不如错齿翅片和百叶窗翅片 但由于平翅片换热器 在结构和制造上的简单方便 运用上的耐久性及其较好的适用性 到目前为止 平翅 片换热器仍是最为常用的一种翅片管式换热器之一 平直翅片管 图 1 4 换热器具 有良好的传热性能和低阻力性能 其在制冷 空调 化工 电子微器件散热 如 CPU 图 1 1 翅片管式换热器实物模型 3 热管式散热器 图 1 2 和 1 3 等多个工业领域都得到广泛的应用 7 采用平直翅片加强 传热的机理是传热面积的增大和水力直径的减小 使流体在通道中形成强烈的紊动 从而有效地降低了热阻 提高了传热效率 研究发现 翅片管式换热器管内热阻与铜管翅片的接触热阻及管外空气侧的热阻 比为 2 1 7 5 可见管外翅片的换热仍然是制约换热器效能的主要因素 因此 强化 空气侧的换热成了管翅式换热器强化传热的重要问题 翅片管式换热器是一种在制冷 空调 化工等工业领域广泛采用的一种换热器形式 对它的研究不仅有利于提高换热 器的换热效率和整体系统性能 而且对改进翅片换热器的设计型式 推出更加节能 节材的紧凑式换热器有着重要的指导意义 1 2 翅片管强化传热的数值解法 随着高速计算机的出现和现代计算技术的发展 以及湍流模型的不断发展与完善 使用电子计算机作为模拟和实验的手段成为可能 从而可以用数值方法来求解流体力 学和传热学中的各种各样的问题 数值传热学 Numerical Heat Transfer NHT 又称计算传热学 Computational 图 1 2 忍者 I 代塔式穿 fin 散热器图 1 3 10 热管穿 finCPU 散热器 图 1 4 平直翅片管模型 4 Heat Transfer CHT 是指对描写流动与传热问题的控制方程采用数值方法通过计算机 予以求解的一门传热学与数值方法相结合的交叉学科 数值传热学求解问题的基本思 想是 把原来在空间与时间坐标中连续的物理量的场 如速度场 温度场 浓度场等 用一系列有限个离散点 称为节点 node 上的值的集合来代替 通过一定的原则建 立起这些离散点上变量值之间关系的代数方程 称为离散方程 discretization equation 求解所建立起来的代数方程以获得所求解变量的近似值 8 上述基本思想 可以用图 1 5 来表示 由于翅片管结构及各种工况因素对换热效果的影响十分复杂 以解析方法及实验 方法为主要研究方法都不能满足研究的需要 而且随着计算机工业的进一步发展 计 算传热学与计算流体动力学发挥着越来越重要的作用 本文将针对平直翅片管对换热 特性与流动阻力的影响利用商业软件 FLUENT6 2 进行数值模拟 与实验研究相比 数值解法具有以下一些优点 9 1 经济性好 运用计算机的数值方法进行预测的最重要优点是它的成本低 在 图 1 5 工程物理问题数值计算的一般步骤 5 大多数实际应用中 计算机运算的成本要比相应的实验研究的成本低好几个数量级 而且随着计算机工业的进一步发展 处理器运算速度的提高 硬件成本的下降 它在 科学研究的重要性将越来越突出 2 研究周期短 用计算机进行计算和研究能以及其惊人的速度进行 一个设计 者能够在一天之内研究出多种方案 并从中选择最佳的设计 而相应的实验研究却需 要很长的时间 3 数据完整 对一个问题进行数值求解可以得到详尽而完备的数据 它能够提 供在整个计算区域内所有的有关变量 如速度 压力 温度 浓度等 的值 与实验 的情况不同 在计算中几乎没有不能达到的位置 4 具有模拟理想条件的能力 人们有时为了研究一种基本的物理现象 希望实 现若干理想化的条件 例如 常物性 绝热条件 流动充分发展等等 在数值计算中 很容易实现这样的一些条件和要求 而在实验中却很难近似到这种理想化的条件 数值计算方法的这些优点使人们热衷于计算机的分析 但是它也有一些局限性 因为结果的准确度是由数学模型的精度和数值方法共同决定 因此数学模型和计算方 法必须都具有良好的完善性 而且对于十分复杂的问题 数值解目前也很难获得 虽 然在某些研究领域中 目前数值计算几乎已取代了实验研究 但在流体力学与传热学 的领域中 实验研究 理论分析与数值计算这三种研究手段则是相辅相成 互为补充 的 理论分析方法的优点在于所得结果具有普遍性 各种影响因素清晰可见 可以为 检验数值计算结果的准确度提供拟合参照的依据 是指导实验研究和验证新的数值计 算方法的理论基础 但是 它往往要求对计算对象进行抽象和简化 才有可能得出理 论解 实验测量方法是研究流动与传热问题的最基本的方法 它所得到的实验结果是真 实可信的 它是理论分析和数值方法的基础 一方面补充现有的结构模型试验数据库 另一方面为工程设计人员提供新的技术支持 同时还可以与数值模拟的结果进行对比 来改进试验设计 因而其重要性不容低估 然而 实验往往受到模型尺寸 流场扰动 人身安全和测量精度的限制 有时可能很难通过实验方法得到结果 10 而数值求解 CFD 方法恰好克服了前面两种方法的弱点 在计算机上实现了一个 6 特定的计算 就好像在计算机上做一次物理实验 它可以通过比较各种型号的换热器 的换热和流动阻力优劣情况 初步给出换热器试验设计参数选择的建议 并能用于研 究换热器的换热流动性能 对换热器的开发和设计有指导作用 总之 科学技术发展到今天的阶段 把实验测定 理论分析与数值模拟这三种研 究手段有机而协调地结合起来 是研究流动与传热问题的理想而有效的方法 2 1 3 平直翅片管换热器的研究进展及成果 人们在进行强化翅片表面换热的研究中 提出了各种强化换热的方法 总的来说 有以下的几种方法 一是减小换热管的结构尺寸 采用小管径换热管代替大管径换热 管 同时减小管排横向间距及纵向间距 从目前家用空调中所采用的换热管尺寸来看 其管径有不断减小的发展趋势 从以前的 9 52mm 7 94mm 到现在的 7 0mm 二是增 强空气侧的湍流强度 可通过不断改变气流来流方向 来达到强化换热的目的 主要 采用将翅片冲压成波纹形 由此产生了波纹形翅片类型 三是采用间断式翅片表面 将翅片表面沿气流方向逐渐断开 以阻止翅片表面空气层流边界层的发展 使边界层 在各表面不断地破坏 又在下一个冲条形成新的边界层 不断利用冲条的前缘效应 达到强化换热的目的 属于这种翅片的有条缝形翅片和百叶窗形翅片等 以下就国内 外对这几种强化方式下的翅片类型的实验研究进展作概述介绍 如表 1 所示 7 1 3 1 平直翅片管实验研究进展及成果 1 早在 1971 年 Rich 就对管径为 13 3mm 管排间距为 27 5mm 和管列间距为 31 8mm 的 16 种不同结构的平翅片换热器进行了实验研究 实验结果表明翅片间距对 8 换热系数有显著的影响 而管排数对的空气压降几乎没有影响 11 2 1978 年 McQuiston 发表了第一个基于五种结构参数 翅片间距 1 81 6 35mm 管外径为 9 96mm 管排间距为 22mm 管列间距为 25 4mm 管排数为 4 的平翅片换热及压降通用关联式 11 3 1986 年 Gray 和 Webb 又提出了管排数大于 4 排的实验关联式 其关联式能 较好地预测大管径 大管排间距和大管列间距下的换热特性和压降特性 11 4 1991 年 Seshimo and Fujii 在迎面风速为 0 5m s 2 5m s 的实验条件下 对 21 种平翅片形换热器进行了研究 5 1994 年 康海军 12 等对平翅片在不同翅片间距和管排数的情况下 对 9 种不 同结构的平翅片换热器进行了实验 发现片距对传热的影响依赖于临界 Re 数 对于 层流来讲 片间距的增加会导致换热的下降 而对于阻力而言 片间距越大 阻力越 小 且两排管的性能优于三 四排管 并提出了在工业常用 Re 数范围内的换热和阻 力性能通用关联式 6 1996 年 何国庚 13 等分别对 16 排 26 排和 32 排的平翅片空气冷却器进行了 实验 指出风速对风侧阻力的影响并不相同 在较少排数时 风速的影响显著些 而 随着管排数的增加 风速的影响也趋向稳定 7 1996 年以来 Wangel 一直致力于翅片管的研究 对平翅片换热器也做了大量 的研究 同时针对翅片换热器的发展形式 对小管径和小结构尺寸的换热器进行了研 究 得出大量十分有价值的研究成果 8 2000 年 Wangel 对 18 种不同结构的翅片管换热器的空气侧换热特性进行了研 究 并分析了管排数 翅片间距 管径对换热特性的影响 指出在不同的雷诺数下 空气侧的换热特性与翅片间距 管排数和换热管管径有十分重要的关系 11 9 Sparrowe 也对单排及双排平直管换热器进行了研究 指出边界层的发展是单排 管换热特性的最重要因素 涡流的影响只有在高雷诺数的情况下才获得 11 1 3 2 平直翅片管数值研究进展及成果 1 Saboya 在研究此问题时指出 边界层的发展是制约单排管换热特性的重要因 素 后来 Torikoshi 对板间通道进行了 3D 数值模拟 发现只要翅片间距足够小 管 子后漩涡将被翅片的 壁面效应 抑制 此时整个流场将处于层流状态 9 2 Ricardo 也对板间的流体行为进行了 3D 模拟 同时借助可视化实验技术 揭示 了翅片间距对传热 流阻的影响 3 宋富强对不同风速下的传热机理进行场协同数值研究 得到了不同位置速度 矢量与温度梯度的协同程度 发现低流速时 全场的温度梯度与速度协同程度好 因 而换热速率随流速近线型增加 但管子背风侧的换热强度较差 双排管整体翅片数值 模拟表明 风速为 0 5 3 5m s 时 对流给热系数及压力降均随流速呈线性增长 多 排管束纵 横向间距对传热的影响数值模拟结果发现 传热随着两种间距的增大而减 小 进一步场协同原理总体平均分析表明 横向管距越小 纵向管距越大 热 流场 总体协同性越好 4 2002 年 西安交通大学宋富强 屈治国 14 等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 9 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 5 2003 年 何江海等 15 对整体式平直翅片管换热器进行数值计算 得到了气流 速分别为 1 0 3 0m s 时的温度与压力分布特性 并由计算结进一步得出不同来流速度 时的空气侧对流换热系数与压降的变化情况 6 2006 年 徐百平等 11 对换热器内的流动与传热进行了数值模拟研究 根据得 到的换热器通道内的传热与阻力特性 提出了可以通过控制宏观流场来减阻强化传热 的思想 7 2008 年 傅明星 16 利用三维稳态模拟研究了叉排和顺排布置形式 几何尺寸 和雷诺数 Red 对双排平直翅片管换热器换热和流动特性的影响 研究成果丰富 8 2010 年 马挺 曾敏 17 等数值模拟方法对平直翅片管燃气侧在高温和常温两 种不同环境中传热与阻力特性进行了对比研究 数值模拟结果表明 燃气进口温度对 Nu 数影响较大 温差对阻力系数 f 影响较大 辐射对 Nu 数影响较大 对阻力系数 f 影响很小 高温换热器用平直翅片管的传热与阻力特性不同于常温条件下的平直翅片 管 在热力设计中平直翅片管常温下的传热与阻力规律不能直接推广到高温环境 10 1 4 本文的主要研究内容 综上所述 影响翅片的换热及阻力特性因素众多 翅片管式换热器在制冷与空调 系统中应用非常广泛 作为其中的关键部件 换热器的性能与效率对于整个系统的影 响就显得尤为重要 针对上述课题的意义 翅片管式换热器的换热特点及国内外在实 验与数值模拟方面发展状况的分析 本课题应用 FLUENT6 2 商业软件对平直翅片管 式换热器在充分发展流动情况下的传热性能和流动阻力特性进行数值模拟 得出平直 翅片管式换热器管排横纵向间距 翅片间距 管排数和 Re 数等因素对换热与阻力特 性的影响 以此为工业上平直翅片表面换热设备的选择提供参考依据 具体内容如下 1 假定流动为三维 稳态的层流流动 翅片管管壁面温度恒定 且认为流动与换 热在经过进口延长区后均已进入周期性充分发展阶段 建立平直翅片通道内一个周期 中的流动与换热控制方程数学模型 2 根据空调设备中常见的整体式平直翅片管尺寸结构选取几何模型 并使用 GAMBIT 软件对计算区域全流场及翅片内部导热区域进行六面体网格划分 管子周围 及流体近翅片区域采用边界层加密处理 采用的流体工质为常物性的空气 3 根据有限容积法的二阶迎风格式 Second Order Upwind 对计算区域进行离散 化 对离散后的控制方程设置边界条件和初始条件 并采用标准的 SIMPLE 算法和稳 定的层流模型来求解压力速度耦合问题 对于翅片表面温度分布 采用翅片导热与流 体对流换热耦合求解 4 数值计算平直翅片管在层流 恒壁温条件下的换热特性与流动阻力 模拟得出 流场各参数分布 分析来流速度及管排数 管间距 翅片间距等几何结构参数与努赛 尔数 Nu 和流动压降 P 的关系 并得出其对平直翅片管换热因子 j 阻力系数 f 及综 合性能参数 j f 的影响 5 对计算结果利用 EXCEL TECPLOT 软件进行后处理 并对数据分析 得出结 论 为工业应用上平直翅片管结构的设计和改进 优化分析提供理论依据 11 第二章 平直翅片管换热流动模型建立与分析 2 1 平直翅片管换热与流动特性物理过程的描述 流体流经翅片管通道 由于管束结构的存在及管外流道的周期性变化特性使得流 体在沿流向呈周期性变截面通道中流动时 在离开入口一定距离 约一排或两排管束 后 流体基本进入充分发展段 流动与换热具有周期性变化的特征 即周期性充分发 展的流动与换热 在翅片管内 管束绕流 管后漩涡是流体扰动的主要特征 在漩涡 区内由于流体的缓慢流动及主流体无法有效透过漩涡与壁面进行热交换 使该壁面处 的换热降到最低 同时循环漩涡增加了流动阻力 但这种流体扰动有时能够引发流动 不稳定 促使流动在较低 Re 的下自身扰动增强 从而使换热性能大大提高 改善换 热性能 但同时流动阻力也会相应增加 2 2 平直翅片管换热器物理模型的建立 2 3 1 物理模型的几何尺寸 本文计算模型的几何尺寸是在参照目前商用空调换热器常用的尺寸基础上确定的 并通过前处理软件 GAMBIT 建立模型 两者的外形基本相同 翅片及基管均为铝质材 料 导热系数为 202 4 W m K 基本尺寸如下 管子直径 D 10mm 管排横向间 距 S2 22mm 管排纵向间距 S1 16mm 翅片厚度 0 2mm 翅片间距 S 1 6mm 几何结构如图 2 1 和图 2 2 所示 图 2 1 叉排布置的翅片管换热器图 2 2 顺排布置的翅片管换热器 12 2 3 2 计算区域的选取 在实际模拟计算中受到计算机软硬件的限制和从计算效率方面的考虑 不对完整 的换热器建立计算模型 而对几何模型进行简化处理 由于几何结构的对称性和周期 性 本文计算区域的物理模型取整个宽度的一半 间距的一半来进行 横向尺寸由管 间中分面和管子中心纵剖面界定 高度由翅片厚度中分面及翅片间距中分面来界定 这样可以对网格进行细化 同时节约了计算机资源 提高了数值模拟效率 能在相对 较短的时间内得到稳定工况的数值解 如图 2 3 另外 为了保证流体进口处于充分发展流动状态 同时避免出流边界回流对计算 结果的影响 将计算区域进口延长 1 2 倍 出口延长 5 6 倍 保证出口边界没有回 流 如图 2 4 图 2 3 计算区域选取示意图 图 2 4 平直翅片管式换热器单元结构 13 2 3 平直翅片管数学模型描述与简化假设 2 3 3 基本简化假设与定解条件 忽略翅片和基管之间的接触热阻 认为翅片根部及翅片翻边部分温度与铝制管 壁为恒壁温条件 318 K 翅片表面温度分布由翅片导热及其与空气对流换热耦合求解 得到 空气进口温度为 308 K 由于空气在换热器内流速不高及翅片间隙很小 假设流动为稳定的层流 由于流动过程中空气的温度变化不大 取空气为常物性 空气物性参数如表 2 1 对辐射换热和重力影响忽略不计 表 2 1 空气物性参数 常物性 项目数据 密度 kg m 3 1 225 粘度 Pa s 1 7894 10 5 比热 Cp J g K 1 1 00643 导热系数 W m K 1 0 0242 进口流速 u m s 10 7 1 8 2 3 4 基本控制方程 本文计算为三维流动 假设空气流动是不可压缩 层流且为稳态流动 由于进口 延长区的存在 认为翅片区域通道内的流动与换热已进入周期性的充分发展阶段 控 制方程如下 1 连续性方程 又称质量方程 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 对于本文研究问题可简化为 14 0 zyx u 2 动量方程 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 表示如 下 3 能量方程 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 表示如下 2 2 2 2 2 2 z T y T x T a z T y T x T u 其中 u v w 分别是速度矢量在 x y z 三个方向上的分量 是密度 P 是作用在微元体上的压力 a 是热扩散率 T 是温度 2 3 5 相关参数的确定 1 当量直径 本文当量直径取为翅片管外径 De Do 10mm 2 雷诺数 max Re Deu 其中 空气密度 kg m3 De 当量直径 m Umax 流道最小截面空气流速 m s 空气粘度 Pa S 15 3 努塞尔数 e hD Nu 其中 h 空气对流换热系数 W K m2 空气导热系数 W K m 4 范宁阻力系数 Lu DeP f 2 max 2 其中 P 流体进出口压降 Pa w 壁面剪应力 N m2 L 翅片纵向长度 S1 5 换热系数 m tA h 其中 翅片与空气总换热量 w m3 inoutpm ttCq qm 质量流量 Kg s Cp 空气比热容 J g K 1 Tin Tout 空气进出口平均温度 K A 翅片与管壁总换热面积 m2 tm 对数平均温差 K ln outb inb outbinb m tt tt tttt t Tb 翅片壁面平均温度 K 6 j 换热因子 3 1 PrRe Nu j 其中 Pr 普朗特数 Cp Pr 2 3 6 物理模型的边界条件及初始条件 为保证无回流 在空气流动的方向上 入口 出口做适当延长 边界条件的具体 16 确定如下 如图 2 5 示 1 忽略翅片和基管之间的接触热阻 认为翅片根部及翅片翻边部分温度与铝制 管壁为恒壁温条件 318K 2 空气入口温度为 308K 采用均匀来流的速度入口 velocity inlet 其中 u x y z in uin v x y z 0 w x y z 0 3 空气出口采用自由方式流出 采用局部单向化 out flow 4 对于翅片表面 翅片温度需要在计算中确定 因而是一个耦合求解换热问题 在计算中 翅片和流体分别采用各自的导热系数 在 GAMBIT 中建立导热与换热混合 边界条件 用 Split Volume 工具得到 Wall Shadow 耦合边界条件 Coupled 这种边界 条件可以实现流体和固体的耦合换热 5 由于翅片很薄 忽略翅片端部传热 认为绝热条件 Heat flux 为 0 6 对于翅片间距中剖面采用对称边界条件 Symmetry 7 对于 Y 方向上的空气流道和进出口延长区均采用对称绝热边界条件 图 2 5 边界条件设定图 17 第三章 基于 Fluent 平直翅片管数值模拟及 CFD 简介 3 1常用数值计算方法简介 数值解法是一种离散近似的计算方法 依赖于物理上合理 数学上适用 适合于 在计算机上进行计算的离散的有限数学模型 且最终结果不能提供任何形式的解析表 达式 只是有限个离散点上的数值解 并有一定的计算误差 但由于它在求解复杂微 分方程时的独特优势 依然得到广泛的应用 并且通过 CFD 软件得以商业化运行 目 前 根据对控制方程离散方式的不同 对流换热问题应用研究中所涉及到的常用的数 值计算方法主要有以下几种 6 1 有限差分法 Finite Difference Method FDM 有限差分法是求取偏微分方程数值解的最古老的方法 对简单几何形状中的流动 与传热问题也是一种最容易实施的方法 其基本思想是将求解区域用网格线的交点所 组成的点的集合来代替 以 Taylor 级数展开等方法 把描写所研究的流动与传热问题 的偏微分方程中的每一个导数项用网格节点上的函数值的差商代替进行离散 从而建 立以网格节点上的值为未知数的代数方程组 其中包含了本节点及其附近一些节点上 所求量的未知值 求解这些代数方程组就获得了所需的数值解 该方法是一种直接将 微分问题变为代数问题的近似数值解法 数学概念直观 表达简单 是发展较早且比 较成熟的数值方法 在规则区域的结构化网格上 有限差分法是十分简便而有效的 而且很容易引入 对流项的高阶格式 其不足是离散方程的守恒特性难以保证 而最严重的缺点则是对 不规则区域的适应性差 2 有限容积法 Finite Volume Method FVM 有限容积法又称为控制体积法 其基本思路是 将计算区域划分为一系列不重复 的控制体积 并使每个网格点周围有一个控制体积 将待解的微分方程对每一个控制 体积积分 便得出一组离散方程 其中的未知数是网格点上的因变量的数值 有限容积法从描写流动与传热问题的守恒型控制方程出发 对它在控制容积上作 积分 在积分过程中需要对界面上被求函数的本身 对流通量 及其一阶导数的 扩 散通量 构成方式作出假设 这就形成了不同的格式 由于扩散项多是采用相当于二 18 阶精度的线性插值 因而格式的区别主要表现在对流项上 用有限容积法导出的离散方程可以保证具有守恒性 对区域形状的适应性也比有 限差分法要好 是目前应用最普遍的一种数值方法 3 有限元法 FiniteElementMethod FEM 有限元方法的基础是变分原理和加权余量法 其基本求解思想是把计算域划分为 有限个互不重叠的单元 在每个单元内 选择一些合适的节点作为求解函数的插值点 将微分方程中的变量改写成由各变量或其导数的节点值与所选用的插值函数组成的线 性表达式 借助于变分原理或加权余量法 将微分方程离散求解 采用不同的权函数 和插值函数形式 便构成不同的有限元方法 有限元方法最早应用于结构力学 后来随着计算机的发展慢慢用于流体力学的数 值模拟 在有限元方法中 把计算域离散剖分为有限个互不重叠且相互连接的单元 在每个单元内选择基函数 用单元基函数的线形组合来逼近单元中的真解 整个计算 域上总体的基函数可以看为由每个单元基函数组成的 则整个计算域内的解可以看作 是由所有单元上的近似解构成 除以上三种数值计算方法外 还有有限分析法等 8 有限体积法的基本思路易于 理解 并能得出直接的物理解释 离散方程的物理意义 就是因变量在有限大小的控 制体积中的守恒原理 如同微分方程表示因变量在无限小的控制体积中的守恒原理一 样 有限体积法得出的离散方程 要求因变量的积分守恒对任意一组控制体积都得到 满足 对整个计算区域 自然也得到满足 这是有限体积法吸引人的优点 而有限差 分法 仅当网格极其细密时 离散方程才满足积分守恒 而有限体积法即使在粗网格 情况下 也显示出准确的积分守恒 就离散方法而言 有限体积法可视作有限单元法和有限差分法的中间物 有限单 元法必须假定值在网格点之间的变化规律 既插值函数 并将其作为近似解 有限差 分法只考虑网格点上的数值而不考虑值在网格点之间如何变化 有限体积法只寻求的 结点值 这与有限差分法相类似 但有限体积法在寻求控制体积的积分时 必须假定 值在网格点之间的分布 这又与有限单元法相类似 在有限体积法中 插值函数只用 于计算控制体积的积分 得出离散方程之后 便可忘掉插值函数 如果需要的话 可 以对微分方程中不同的项采取不同的插值函数 因而针对上述常用的数值计算方法 19 从实施的难易及发展成熟程度而言 有限容积方法研究最为活跃 用有限体积法导出 的离散方程可以保证具有守恒特性 而且离散方程系数物理意义明确 计算量相对较小 故有限容积法是 CFD 进行数值计算采用最多一种方法 其中最普及的 Fluent 软件就是 其中之一 18 3 2CFD 概述 3 2 1 计算流体动力学简介 计算流体动力学 Computational Fluid Dynamics 简称 CFD 是通过计算机数值 计算和图像显示 对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析 CFD 这一始于本世纪三十年代到如今的计算机模拟技术 集流体力学 数值计算方法 以及计算机图形学于一身 已经在各个工业领域得到广泛的应用 其基本思想可以归 结为 把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场 如速度场和压力场 用一系列 有限个离散点上的变量值的集合来代替 通过一定的原则和方式建立起关于这些离散 点上场变量之间关系的代数方程组 然后求解代数方程组获得场变量的近似值 CFD 可以看做是在流动基本方程 质量守恒方程 动量守恒方程 能量守恒方程 控制下对流动的数值模拟 通过这种数值模拟 我们可以得到极其复杂问题的流场内 各个位置上的基本物理量 如速度 压力 温度 浓度等 的分布 以及这些物理量 随时间的变化情况 确定漩涡分布特性 空化特性及脱流区等 3 2 2 计算流体动力学的工作步骤 采用 CFD 方法对流体流动进行数值模拟过程 如图 1 4 通常包括以下步骤 1 建立反映工程问题或物理问题本质的数学模型 具体说就是要建立反映问题 各个量之间关系的微分方程及相应的定解条件 这是数值模拟的出发点 流体的基本 控制方程通常包括质量守恒方程 动量守恒方程 能量守恒方程 以及这些方程相应 的定解条件 2 寻求高效率 高准确度的计算方法 即建立针对控制方程的数值离散化方法 如有限差分法 有限元法 有限体积法