波纹开缝翅片管换热器传热与流动性的数值模拟

1、波纹开缝翅片管换热器传热与流动性的数值模拟 李军1，吴学红1，徐青1，凌长明1，张正国2 （1广东海洋大学T程学院，广东湛江524025;2华南理工大学传热强化与过程节能教育部重点实验室，广东广州510640）摘要：提出一种波纹开缝翅片管换热器，对其传热与流动特性进行三维数值模拟，选择Re范围在1 000到5 000时与平板开缝翅片的模拟相比较。结果表明，在Re小于2752时，平板开缝比波纹开缝的换热效果好，而Re大于2 752时，波纹开缝比平板开缝换热效果更好，并且波纹开缝翅片管换热器的流动阻力小于平板开缝，因此，Re大于2 752时波纹开缝比平板开缝综合效果更好。关键词：翅片管换热器；开缝

2、翅片；波纹翅片；传热特性；流动特性；数值模拟 Numerical Simulation of Heat Transfer and Flow Performance of Slit Surfaces of Wave Plate for Fin and Tube Heat Exchangers LI Junl, WU Xue-hongl, XU Qingl, LING Chang-mingl, ZHANG Zheng-guo2 (l.Engineering College, Guangdong Ocean University, Zhanjiang 524025,China; 2. The Key

3、 Lab of Enhanced Heat Transfer and Energy Conservation of Ministry of Education, South China University of Techology, Guangzhou 510640, China )Abstract: The article presents three-dimensional numerical simulation of air-side heat transfer and flow performance of a kind of new slit wave-plate fin hea

4、t exchanger and draws a comparison between the heat transfer and flow performance of slit plate fin heat exchanger. It is revealed that the heat transfer coefficient of the slit plate fin heat exchanger is more than that of the slit wave-plate for Re<2 752. However, for Re>2 752, the result is

5、 reversed, and pressure loss of the slit wave-plate shows smaller than that of the slit plate. So, in the case of Re>2 752, the slit wavy-plate is better than the slit plates in the whole.Key words: fin-and-tube heat exchangers; slit fin; wavy fin; heat transfer; flow performance; numerical simul

6、ation 紧凑管翅式换热器主要应用于供热、通风、空调与制冷工业，研究者一直致力于其性能的改进。影响换热器性能的因素较多，其中的主要因素是热阻，而换热器的主要热阻来自空气侧，因此，提高空气侧的换热效率是提高换热器的关键。增加空气侧的传热系数主要采用的方法有1：缩小几何尺寸、增强流体的紊流强度以及采用间断表面一开缝翅片。采用间断表面一开缝翅片比其他两种方法更能提高换热系数，因此是目前广泛使用的技术。 由于换热器空气侧开缝翅片结构的复杂性,2对百叶窗形式的翅片换热器用Star-CD进行了二维与三维数值模拟。屈冶国等3对开缝翅片进行了三维数值模拟。文献4-7分别用实验方法对波纹翅片的换热与压降进行了

7、研究，其中文献4-6还拟合了波纹翅片管的换热与阻力系数关系式。为此，本文提出一种波纹开缝翅片管换热器，并与平板开缝翅片管换热器的流动和换热性能进行对比分析，旨在寻求一种换热效果更好的新型翅片管换热器。1计算模型本文对图1中3种形式的两排翅片管进行数值模拟，结构尺寸（单位mm）见图1，三维计算区域的选取如图1的虚线所示，翅片的厚度为0.2 mm，开缝宽度为1mm。图2为波纹开缝翅片所选取的计算区域示意图。为表达的简洁，采用Einstein求和符号规则，其计算控制方程为：8连续性方程：动量方程：能量方程：其中，为密度，u为速度，p为压力，k后为传热系数，T为温度，CP为比定压热容。 a平板 b平板

8、开缝 c波纹开缝 图1翅片的形状 Fig1 Shape of fins 图2波纹开缝翅片的示意图 Fig2 Wavy slit fins2 计算结果与分析2.1 计算边界条件的设定 假定管壁的温度( 313 K)为常数，给定翅片的导热系数，翅片的温度在计算中确定。流体入口处给定速度与温度( 303 K)，Re范围为1 0005 000（流速范围为1.57 m/s）。出口处设为局部单向化边界条件，在流动方向上入口延长0.5倍管径，出口延长1倍管径，以保证出口无回流。上下边界为周期性边界条件，左右为对称性边界条件，计算模型为三维稳态层流不可压缩流动，计算主要应用FLUENT软件进行，用二阶迎风格式

9、进行迭代求解，并用SIMPLE算法实现压力场与速度场的耦合。计算区域的网格是采用GAMBIT软件生成的，网格的密度进行了网格独立性考核，保证计算迭代收敛的要求。2.2 计算结果的处理方法压降与换热可以分别用摩擦因子与斯坦顿数St来表示，它们的定义根据总的传热面积At、最小流通截面积Ac和通过最小截面的平均流速来表示。即 换热系数： 其中，TLMTD为对数平均温差，而对数平均温差用翅片的温度与进出口温度的差值算得；为通过换热面的热流量，单位为W。2.3 计算结果分析 图3和图4分别表示St与Nu随Re的变化关系，从图3可见，St随Re的增加而减小，在Re小于2 752时，平板开缝的St要大于波纹

10、开缝的St;在Re大于2 752时，波纹开缝的St要大于平板开缝的St，且随着Re的增加st增大趋势加大。从图4可见，Nu随Re的增加而增大，在Re小于2 752时，平板开缝的Nu要大于波纹开缝的Nu；在Re大于2 752时，波纹开缝的Nu大于平板开缝的Nu，且随着Re的增加Nu增大趋势越明显。图3和图4结果表明：在Re低于2 752的情况下，平板开缝翅片比波纹开缝翅片换热要好；在Re高于2 752的情况下，波纹开缝翅片比平板开缝翅片换热要好。且随着Re的增大，这种差别也增大。图5显示的是压力损失系数随Re的变化关系，从图5可看出，随着Re的增加，压力系数逐渐减小。由于开缝的作用，平板开缝翅片

11、的压力损失系数比平板平均高80%98%，波纹开缝翅片则比平板翅片高出50%70%。这说明，在相同的情况下，波纹开缝翅片的阻力损失较平板开缝翅片小。 图3 St与Re的关系 Fig.3 Relationship between St and Re 图4 Nu与Re的关系 Fig.4 Relationship between Nu and Re 图5压力损失系数与速度的关系 Fig.5 Relationship between pressure loss coefficient and velocity 综合图3、图4、图5可知，在Re小于2 752时，可以选用平板开缝翅片；而在Re大于2 752

12、时，由于波纹开缝翅片在换热与阻力损失两方面均比平板开缝翅片好，故可选用波纹开缝翅片。 图6为波纹开缝翅片截面的速度失量图，所选位置是在计算区域的中间X=6 mm处。从图6可以看出，在速度为1.5 m/s( Re=1 032)时，在壁面处的速度梯度较小；而在速度为4 m/s时，在壁面处的速度梯度较大，流动明显，对流换热增强。2.4计算结果与实验结果的比较通过对波纹开缝翅片换热与流动特性进行实验研究1），得出以下结果：实验测试的3种翅片的Nu均随着R的增加而增加，以波纹开缝翅片的增加最快，实验测得波纹开缝翅片的换热性能比平直翅片高20%120%，比波纹翅片高30%70%，而计算中3种翅片换热性能相

13、差更明显；3种翅片的阻力损失系数则随Re的增加而减小，实验得出波纹开缝翅片阻力损失系数比平直翅片高30%70%，比波纹翅片高10%33%。与换热增加相比，其阻力损失增大相对较小。计算中平板开缝翅片的压力损失系数比平板平均高80%98%，波纹开缝翅片则比平板翅片高出50%70%。综上可见，实验结果与计算结果较为一致，波纹开缝翅片确是一种性能较好的翅片结构。a v=4 m/sb. v=1.5 m/s 图6波纹开缝翅片速度失量图Fig.6 Vectorgraph ofvelocity ofwavy slit fins3结论 本文对平板翅片、平板开缝翅片、波纹开缝翅片的流动性和传热进行比较，Re范围为

14、10005 000（流速范围为1.57 m/s），分析其St、Nu和压力损失系数与Re的关系，得出以下结论： 1)在Re低于2 752的情况下，平板开缝翅片比波纹开缝翅片换热要好；在Re高于2 752的情况下，波纹开缝翅片比平板开缝翅片换热要好； 2)压力损失系数随Re的增加而减小，在相同的Re情况下波纹开缝较平板开缝翅片的阻力损失要小；3)在Re小于2 752时，可以选用平板开缝翅片，而在Re大于2 752时，由于在换热与阻力损失两方面，波纹开缝翅片都比平板开缝翅片的好，故可选用波纹开缝翅片。参 考 文 献1 Marvillet C. Recent development in finned

15、 tube heat exchanger theoretical and practical aspectsM. Denmark: Energy tech, 1993, 91-1592 Atkinson K N,Drakulic R, Heikal M R.Two-and three-dimensional numerical models of flow and heat transfer over louvred fin arrays in compact heat exchangersJ. International journal of heat and mass transfer,

16、1998,41:4063-4080.3 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下程热物理学报，2003,24(5)：825-8274 Webb R L Air-side heat transfer correslations for flat and wavy plate fin-and tube geometriesJ. ASHTAE transactions,1990,96(2):445-449.5 Wang Chi Chuan. Empirical correlations for heat transfer and flow friction characteristics of hemngbone wavy fin-and-tUbe heat exchangersJ. International journal of refrigeration, 2003, 25:673-680.6 Ali M M, Ramadhyani S. Experiments on convection heat transfer in corrugated chann