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雙縫翅片管翅式換熱器傳熱與流動數值模擬研究

點擊:1626 日期:[ 2014-04-26 22:21:41 ]
                      雙縫翅片管翅式換熱器傳熱與流動數值模擬研究                          1.徐百平  1.吳清鶴   2.江楠   2.劉騰霄             (1廣東輕工職業技術學院輕化工程系2華南理工大學工控學院)     摘要:采用FLUENT軟件,建立了雙縫翅片管翅式換熱器三維物理模型。采用 RNG K—s湍流模型,對換熱器內的流動與傳熱進行了數值模擬研究。結果表明, 雙縫片可使傳熱提高22.7% ~42% ;阻力的計算結果表明,與平直翅片相比,總體阻力系數增加28.29% ~54.92% 。     關鍵詞:管翅式換熱器沖縫翅片 流動傳熱數值模擬     前言     管翅式換熱器是空調中最常用的換熱器結構形式。研究發現¨ j,管翅式換熱器熱阻分布規律為:管內熱阻與銅管翅片的接觸熱阻及管外空氣側的熱阻比為2:1:7。可見,管外翅片的換熱仍然是制約換熱器效能的主要因素。因此,強化空氣側的換熱成了管翅式換熱器強化傳熱的重要問題。平直翅片由于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(1971)發現,片間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。Sparrow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(1994)對板間通道進行了3D數值模擬,發現只要翅片間距足夠小,管子后旋渦將被翅片的“壁面效應”所抑制,此時整個流場將處于層流狀態。Nakayama(1983)對3種結構沖縫片進行了實驗研究,得到傳熱與流阻的關聯式。Dejong(1997)等人研究發現,流體通過條縫后,渦旋首先在下游出現,隨數增加向上游前移,當翅片間距減小時,臨界 數下降。Wang C.C.(1999)研究了12種沖縫片結構 j,發現翅片間距對傳熱、壓降有顯著影響。管排數為N=1時,間距減小傳熱增大,當N>4時,翅片間距對傳熱壓降的影響趨勢相反;旋渦的脫落及渦旋的振蕩效應是強化傳熱的根本原因。Du(2000)一 針對管徑為7.52mm的研究表明,當Re<2000時,單排管換熱性能大于多排管,Yun和Lee也采用實驗方法研究了翅片設計參數對傳熱流阻的影響規律 j。陶文銓基于場協同理論 ,對沖縫片進行了數值模擬研究,發現翅片背風側的熱、流場協同能力較弱,而前緣的場協同能力較好,故提出了“前疏后密”新結構,在阻力幾乎不上升的情況下,傳熱可提高20%以上。沖縫片利用間斷表面來抑制邊界層的增長及沖條的前緣效應來強化傳熱,但沖縫的角度與片寬目前還沒有得到更深入的研究。     1 數學模型建立     圖1為單排管沖縫片管翅式換熱器部分結構示意圖,這里定義0 、0 分別為迎風、背風面包裹角,代表沖縫翻邊起始位置與進風方向的夾角。根據設計要求,從翅片平衡位置向橋片過渡的法向截面夾角均為45。。沖縫片橋高度h代表橋片與翅片平衡位置的距離。                       本章對單排管的沖縫翅片換熱器進行分析。采用商用的Fluent軟件,模擬空氣在冷凝器中的流動與傳熱。采用Gambit建模,然后導人Fluent中進行計算。為減小計算工作量,考慮到換熱器結構的對稱性,從換熱器結構中抽取基本的傳熱單元進行分析。為此,本文建立如圖2所示的物理模型。坐標系如圖所示,其中, 方向為翅片寬度方向,Y為翅片間距方向, 為氣體流動方向, 即翅片的縱向方向。翅片寬度 取為管間距一半,翅片長度取為翅片縱向長度,Y方向為翅片寬度方向,取法為:Y方向計算區域取為三個相鄰翅片通道中剖面之間的部分,其Y坐標分別為一0.68mm 和0.68mm。     不為建立數學模型,考慮沖縫片的強擾動作用以及低雷諾數效應,我們選用經過重整化群處理的RNG,(一 。該模型納入了低雷諾數影響效應,能夠提高對螺旋流的預測精度,與雷諾應力模型(RSM)相比,所需的計算機資源相應下降。將動量方程與能量方程耦合求解。邊界條件的確定如下:為使進口區更接近實際情況,將進口區反向延長一倍管徑距離,采用均勻來流假設,進口溫度Ti =308K;為減少計算量,出口區也延長至一倍管徑,采用壓力出口邊界;                        忽略翅片與銅管的接觸熱阻,則翅片內表面溫度與銅管溫度相同;管壁采用恒壁溫假設 =318K,與空氣接觸的翅片采用耦合傳熱邊界,即翅片表面溫度分布由翅片導熱與空氣對流傳熱耦合求解;由于翅片厚度較薄,忽略翅片端部的傳熱,設為絕熱邊界;Y方向上下邊界為周期性邊界,其余邊界均采用對稱邊界來處理。為保證求解精度,動量方程與能量方程采用二階精度QUICK差分格式離散,采用標準SIMPLE算法進行壓力修正。進行網格劃分時,進口和出口延長區域采用六面體網格,其余部分采用四面體網格。最大網格尺寸0.1m/n,如當翅片背風面包裹角為30。時,網格總數214萬,為便于顯示,去掉部分網格結構,部分網格劃分見圖3所示。                           制誤差為1 X 10 ,并保證計算結束時通道阻力系數C 保持不變。此外,檢驗流體進出換熱單元的質量平衡達到10~kg/s,總體熱平衡達1O w 量級。     2 幾何尺寸及物性參數     給定不同的進口速度M=1.0—3.5m/s,各參數定義如下。     本文計算采用的結構尺寸是目前商用空調換熱器常用的尺寸,材料為鋁箔,如表1所示。                                                                                 圖4為翅片通道中分面內(Y=0.68mm)的速度矢量分布。可以看出,由于沖縫橋片的存在,改變了翅片通道內的阻力特性,使負壓操作的條件下,空氣進人換熱器的風量分布比平直翅片管通道均勻得多,基本上消除了管子前緣人口空氣低流速區。圖5中/1, 為 方向速度分布,可見空氣進口速度要均勻得多,管子前緣速度為最大速度的60%左右。由于采用了湍流模型,與平直翅片相比,沿高度Y方向速度分布要均勻得多。通道內的高速度區主要集中在翅片通道的中后部,最大速度區出現在緊貼管壁的后半部區域。由于橋片包裹角的作用,管子背風側死區被有效地抑制,這和平直翅片管比起來,管子后面的翅片面積得到了更有效的利用,這對于強化傳熱及降低形體阻力有利。                                                            圖6為翅片上表面及管子表面沿程空氣傳熱膜系數分布,圖7則為翅片上表面的Nu數分布。從圖中可以看出,翅片表面給熱系數分布比平直翅片要均勻得多,翅片前緣及沖縫橋片前緣傳熱系數較高,前緣效應使得傳熱得到強化,橋片的存在提高了通道內空氣Y方向溫度的均勻程度,因而總體來講量值要大。管子的傳熱主要發生在管子的迎風面,沿流向向下游逐漸減小,管子背風側翅片表面的空氣傳熱膜系數得到了有效的提高。空調換熱器橋片縱向長度很短,換熱過程屬未充分發展過程,有利于利用熱邊界層未充分發展來強化傳熱。圖8的阻力沿程分布表明,阻力分布不均勻,橋片前、后緣的局部阻力較大,翅片表面近管壁區中前部也存在局部阻力極大值,這一區域的傳熱也得到相應的提高,參見圖6、圖7。可見,沖縫翅片通道的傳熱阻力性能更符合相似定律。                      由圖可見,隨著空氣流速的提高,單元的換熱量增加。和平直翅片相比,沖縫片單元換熱量提高33,5% ~50.17% ,這與文獻報道的實驗結果相吻合。進一步我們可得到通道內傳熱與流阻隨流速變化的關系,如圖l0、圖l1所示。     圖l0的結果表明,隨著流速增大,Nu數的增大趨勢要高于平直翅片,說明橋片在高速下更能顯示強化傳熱的優勢。在計算的范圍內,沖縫片可使傳熱提高22.7% ~42%;由圖l1可以看出.和平直翅片相比,總阻力系數增加28.29% ~54.92% 。                      4 結論     采用商用FLUENT軟件,采用重整化群處理的RNG,c一 湍流模型對沖縫翅片通道內的空氣流動與傳熱進行了數值模擬研究。結果表明,由于沖縫橋片的存在,改變了翅片通道內的阻力特性,使負壓操作的條件下,空氣進入換熱器的風量分布比平直翅片管通道均勻得多,基本上消除了管子前緣入口空氣低流速區。橋片縱向長度很短,換熱過程屬未充分發展過程,有利于利用熱邊界層未充分發展來強化傳熱。和平直翅片相比,相同流速下,沖縫片可使傳熱提高22.7% ~42%;總阻力系數增加28.29% ~54.92% 。  
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