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平直翅片管翅式換熱器減阻強化傳熱數值模擬

點擊:1666 日期:[ 2014-04-26 22:21:39 ]
                       平直翅片管翅式換熱器減阻強化傳熱數值模擬                           徐百平  江楠  劉騰霄  楊衛國 (1.廣東輕工職業技術學院輕化工程系,廣州510300;2.華南理工大學工業裝備與控制工程學院)     摘要:借助Fluent軟件,采用邊界加密的六面體網格,建立了平直翅片管翅式換熱器三維物理模型。在層流假設的基礎上,利用具有二階精度的QUICK差分格式,對換熱器內的流動與傳熱進行了數值模擬研究。根據得到的換熱器通道內的傳熱與阻力特性,提出了可以通過控制宏觀流場來減阻強化傳熱的思想,給出了一種在工程上容易實現的方法,并進行了相應的數值計算。結果表明,新方案使傳熱Nu數平均提高了7.24 ,而阻力系數下降,且最大下降達6.39 。     關鍵詞:翅片管換熱器流動阻力 傳熱數值模擬     1 前 言    由于平直翅片便于加工制造及裝配簡單,使用過程中不易發生形變,是空調換熱器常用的翅片形式之一,國內外學者對其進行了大量的理論與實驗研究。Rich L1 發現片問距對換熱系數有顯著影響,而管排數對空氣壓降幾乎沒有影響。Saboyal_2 在研究此問題時指出,邊界層的發展是制約單排管換熱特性的重要因素。后來,Torikoshi_3 對板問通道進行了3D數值模擬,發現只要翅片間距足夠小,管子后漩渦將被翅片的“壁面效應”抑制,此時整個流場將處于層流狀態。Ricardol_4 也對板問的流體行為進行了3D模擬,同時,借助可視化實驗 技術,揭示了翅片間距對傳熱、流阻的影響。康海軍l_5 對9種平直翅片管的傳熱與阻力進行了實驗研究,發現片距對傳熱的影響依賴于臨界Re數,對于層流來講,片間距的增加會導致換熱的下降,面對于阻力而言,片間距越大,阻力越小,且兩排管的性能優于三、四排管。宋富強 對不同風速下的傳熱機理進行場協同數值研究,得到了不同位置速度矢量與溫度梯度的協同程度,發現低流速時,全場的溫度梯度與速度協同程度好,因而換熱速率隨流速近線型增加,但管子背風側的換熱強度較差。雙排管整體翅片數值模擬[7 表明,風速為0.5~3.5 m/s時,對流給熱系數及壓力降均隨流速呈線性增長。多排管束縱、橫向間距對傳熱的影響數值模擬結果發現l_8],傳熱隨著兩種問距的增大而減小,進一步場協同原理總體平均分析表明,橫向管距越小,縱向管距越大,熱、流場總體協同性越好。前人的研究主要集中在強化傳熱技術的應用方面,沒有充分考慮管子的存在對流體阻力及強化傳熱效果的影響以及管翅換熱器流道特性。因此,     本研究在對單排管平直翅片進行流動與傳熱數值模擬研究的基礎上,提出了減阻強化傳熱的新概念,給出了便于工程應用的實施方案,并進行了相應的數值計算研究,為進一步的工程應用提供參考和啟示。     2 數學模型的建立     單排管平直翅片換熱器的結構具有對稱性,計算物理模型根據對稱性簡化。橫向(.z軸方向)尺寸由管問中分面和管子中心縱剖面界定,高度(Y軸方向)尺寸由翅片厚度中分面及翅片間距中分面來界定,z方向為空氣流動方向。坐標系及幾何結構見圖1。計算采用的結構尺寸是目前商用空調換熱器常用的尺寸,見表1。翅片材料為鋁箔,導熱系數為202.4 w/(m ·K)。由于流動過程中空氣的溫度變化不大,故取其物性參數不隨溫度變化,見表2。                                 由于空氣在換熱器內流速不高及翅片問隙很小,假設流動為穩定的層流。邊界條件的具體確定如下:忽略翅片和銅管的接觸熱阻,翅片根部及翅片翻邊部分溫度為318 K,翅片表面溫度分布由翅片導熱及其與空氣對流換熱耦合求解得到,空氣進口溫度為308 K。為保證計算的穩定性及物理模型的可靠性,將進口區沿流向反向延長1倍管徑,采用均勻來流假設;出口區延長4倍管徑的距離,采用壓力出口邊界。其余邊界條件為:對于翅片邊緣及中剖面采用絕熱處理,對于空氣流道取為對稱邊界條件。采用標準的SIMPLEC算法來求解壓力速度耦合問題,方程組離散均采用具有二階精度的QUICK差分格式。為保證計算精度及節省計算機資源,計算采用全流場六面體網格劃分,管子周圍及流體近翅片區域采用邊界層加密處理,流體進出換熱器附近也采用了網格局部加密處理,最小尺寸o.Ol mm,最大尺寸0.2 mm,部分網格結構見圖2。              方程組殘差收斂控制條件為:速度1×1o一、連續性條件1×1O 、能量1×1O_。,并保證計算結束時通道阻力系數保持不變,并檢驗流體進出換熱單元的總體熱平衡達1O w 量級。給定不同的進口速度(O.8~2.0 m/s),在PC機上借助Fluent軟件,分別計算傳熱及阻力。                                                                     從圖3可以看出,由于管子的存在,即使在負壓操作的條件下,空氣進入換熱器的風量分布仍不均勻。通道內z方向速度是漸進發展的,流體逐漸被加速,沿翅片寬度z方向速度差別越來越大,管子后面存在死區。從圖4、圖5可以看出,管子背風面的翅片面積不能得到有效利用。圖5表明,翅片的前緣效應使得傳熱得到強化,最大Nu數分布呈翼形,傳熱主要發生在管子間距中分面前部,翅片有近1/3的面積沒有被有效利用。從圖6可以看出,阻力分布不均勻,翅片前緣的局部阻力較大,這一點與傳熱結果具有相似性,翅片表面近管壁區中前部也存在局部阻力極大值,對比圖5,這一區域的傳熱并不大。從圖7、圖8可見,隨著換熱器內Re的增加,傳熱Nu數增大而阻力減小。                         4 管子縱向位置對流阻及傳熱規律的影響分析     流動及傳熱數值模擬分析結果表明,管子的存在將產生形體阻力,由傳熱與動量傳遞的相似性原理可知,這部分阻力的產生對傳熱幾乎沒有貢獻。從翅片角度來看,阻力的產生在管子前緣附近的近壁區達到最大,這類似于喇叭口的收縮段局部阻力,但傳熱沒有相應的增加。一般來講,基于大平板傳熱相似理論,強化傳熱會導致流阻的提高。由于管子的存在,流體局部阻力的產生與管子的形狀、位置及翅片的間距有關,這樣有可能控制宏觀流場降低流道阻力,增加流體速度,并使得翅片的有效利用面積增加,來達到進一步強化傳熱的目的,可以稱之為減阻強化傳熱。為此,本研究打破常規設計的縱向對稱結構,將管子的位置沿流向向下游偏移1.0 mm 和1.3 mm,記為Az一1.0 mm 和一1.3 iTlm,逆流向上游移動1.0 ITIiTI和1.3 mlTl,記為Az: 一1.0 mm 和Az一一1.3 mm。而將原對稱結構記為△z一0。采用如前的建模、網格劃分及計算方法對不同進口流速條件下的流動及傳熱進行數值模擬。模擬得到的傳熱與流阻結果見圖9和圖1O,其中,圖9為管子縱向位置對Nu數的影響,圖1O為管子縱向位置對總體阻力系數的影響。從圖9和圖10可以看出,管子的位置向下游移動,傳熱Nu數增大,阻力系數減小或幾乎不變;相反,管子的位置逆流向上移動,傳熱Nu數下降,阻力系數減小或幾乎不變。根據不同的操作條件下的Re數計算,對于本結構來講,Az一1.0 mm 比較理想。                         將原縱向對稱結構bz一0與AZ一1.0 mm 時的傳熱及流阻隨Re數的變化進行了對比,結果見圖11和圖12。                                          從圖11、圖12中可以清楚看出,△ 一1.0 mm時的傳熱Nu數較△ 一0時最大提高10.66 9/6,最小提高5.1 9/6,平均提高7.24 ,而阻力系數反而減小,最大下降可達6.39 。這樣,在等泵、等功率條件下,傳熱會提高得更多。     在進口風速1.2 m/s的條件下,強化傳熱后翅片表面Nu數分布及 方向剪切應力分布分別見圖13、圖14。從圖13可以看到,強化傳熱后,有效利用了翅片的表面積,壓制了管子背風側的死區,與原對稱結構相比,翅片的高效換熱面積增加了。從圖14可以看出,翅片表面最大阻力向流動下游移動,這相當于進口區的加長,說明管子造成的形體阻力下降,緩解了速度突變,減小了流動阻力。因此可以通過打破翅片縱向的對稱性來實現減阻強化傳熱,稱之為“縱向非對稱效應”。因此,若要達到翅片通道內的減阻強化傳熱,必須考慮導流及管子背風側的翅片有效傳熱面積的應用。                          5 結 論     基于單排管平直翅片的換熱與流阻特點,提出了減阻強化傳熱的新概念。只需要簡單地改變管子與翅片的縱向相對位置,就可以達到控制宏觀流場、降低流動阻力、同時強化傳熱的目的。數值模擬結果表明,該方案傳熱Nu數平均提高7.24 ,而阻力系數最大可下降6.39 9/6。
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