平翅片表面流動和換熱的數值模擬研究

梁斯麒

近年來,對制冷換熱器用翅片形式的研究取得了一定的進展,文獻[1]研究了多種表面變形片的強化傳熱特征,并根據單片矩形翅片表面的換熱系數分布[2],提出在翅片上換熱性能的薄弱區域開大直徑圓孔,從而改善翅片的換熱效果[3]。但文獻[2]對局部換熱系數分布的研究僅局限于單片矩形翅片,與翅片管的實際情況有明顯差異。蘇華[3]和范亞明[4]等人通過正交優化實驗,獲得了2種優化片型,即沿管開對稱大直徑圓孔翅片以及雙側開非對稱大直徑圓孔—半圓孔交叉翅片,實驗表明:在最窄截面風速Umax=1 m/s～8 m/s的范圍內,雙側穿孔方案中最優片型的風側當量換熱系數 h0比平翅片增加了22.6%～30.4%,平均增幅達29.5%,ΔP最大增幅不超過8%;雙側開非對稱圓孔—半圓孔的交叉翅片方案中最優片型的 h0比平翅片增加了14.3%～20.9%,平均增幅達18.7%,ΔP最大增幅不超過6%。高建衛等[5]利用家用冰箱制冷系統,分別采用圓孔—半圓孔交叉優化翅片、圓孔優化翅片以及平翅片管式制冷換熱器,進行積霜工況下的傳熱和制冷性能對比性實驗研究。結果表明:與平翅片相比,當最窄截面風速為0.5 m/s時,積霜工況下圓孔翅片的傳熱性能最好,其傳熱系數平均提高了11.53%;對流換熱系數平均提高了18.84%;制冷系數平均提高了6.83%;有效制冷量平均提高了602%,節省電能6.39%,且積霜工況下圓孔不易堵塞,可在較長時間內維持較好的強化傳熱特征。根據文獻[4]矩形翅片管實驗試件的結構建立數學模型,運用數值模擬的方法,耦合分析求解出翅片表面的速度分布、溫度分布和努謝爾特數分布,模擬結果與文獻[4]實驗數據進行了比較,證實了模擬結果的正確性。

1 模擬計算模型

1.1 幾何模型

單排管平翅片管式換熱器實驗樣件的尺寸如下:管子外徑D0=25 mm,翅片厚度δ=0.5 mm,管間距 Y=76 mm,翅片間距S=10 mm,翅片寬度 W=61 mm,如圖1所示。

由于結構的對稱性,模擬計算時取樣件其中一個單元作為模型。為保證空氣無入口效應和出口無回流現象,入口延長了1倍管外徑,出口延長4倍管外徑(如圖1b)中虛線所示)。本文利用Fluent軟件的Gambit模塊,對模型采用分塊網格劃分的方法進行離散,對某些規則的區域采用六面體網格以減少網格數目,對一些不規則區域采用四面體網格,對重點研究的區域采用了加密網格,進出口附近采用粗網格。通過采用不同的網格劃分檢驗了網格無關性,最后得到總的網格單元數為15多萬個。

1.2 邊界條件

1)忽略翅片和鋼管的接觸熱阻和翅片與基管間的輻射換熱,翅片根部及鋼管的表面溫度 Tf=347.36 K,翅片表面溫度分布采用翅片導熱、翅片表面與空氣間的對流換熱耦合求解;2)空氣進入換熱器的溫度為297.8 K;3)翅片的導熱系數為常數;4)對翅片邊緣及中剖面采用絕熱邊界條件,對于空氣流道取為對稱邊界條件;5)翅片及圓管材料為鋼材。

本文采用Fluent6.0軟件計算,計算模型采用標準 k—ε兩方程模型,各方程的離散化均采用二階迎風格式,同時用Simple[6]算法求解上述控制方程的離散方程組,將能量方程與動量方程進行耦合求解。

2 計算結果及分析

2.1 翅片間中心面的速度分布

圖2是風速 u=1 m/s時翅片間中心面的空氣速度分布圖,空氣在進入流道時速度分布比較均勻,但由于圓管的阻擋,正對著圓管的空氣速度逐漸減小,圓管兩側的空氣速度不斷增大,最大值出現在圓管兩側的中心部位。靠近圓管的尾部出現分離流動,形成明顯的渦旋。圓管后面空氣速度很小,形成一循環流動的尾流區。

2.2 翅片表面溫度分布特征

翅片前沿部分的溫度較低,越靠近圓管,翅片的溫度越高,同時圓管后面形成一面積較大的高溫區域,這就是空氣渦旋循環流動的尾流區。循環流動的空氣不能有效地帶走熱量,使得圓管后面的翅片表面溫度較高,顯然,尾流區是換熱的薄弱區域。

2.3 翅片表面換熱特征

在翅片的進口段出現了最高的努謝爾特數。沿著流動方向,Nu逐漸減小,這是由于邊界層逐漸增厚導致換熱效果降低的原因。Nu數最小值出現在管后尾流區,這是由溫度分布的特征確定的。在尾流區,空氣不能有效地帶走熱量,換熱溫差最大,因此換熱效果最差,Nu數最小。采用開孔措施強化傳熱時,管前翅片表面開圓孔可以破壞流動邊界層,管后尾流區開圓孔可以增強氣流擾動,均可達到強化傳熱的效果[6]。

3 計算結果與實驗結果比較

為驗證模擬結果的正確性,本文將模擬結果與實驗結果進行了比較,實驗結果引自于參考文獻[3]。實驗是在一吸風式直流風洞中進行的,翅片管管內采用電加熱,空氣外掠翅片側流動并被加熱。由實驗數據整理獲得的對流換熱系數與速度的關系見表1,其中,空氣側當量對流換熱系數 h0與平均對流換熱系數h′0的關系如下。其中,A0,1為光管對流換熱面積,m2;A0,2為翅片表面積,m2;A0為總換熱面積,m2;三者之間的關系為:A0=A0,1+A0,2;ηf為翅片效率。本文進行了風速分別為1 m/s～4 m/s的數值模擬,由模擬結果與實驗結果的對比可以看出,換熱系數隨風速的變化趨勢是相同的,但實驗結果均小于模擬結果,兩者比較,最大相對誤差為10.8%,而最小相對誤差僅為7.3%。引起誤差的主要原因是模擬時所用模型為標準k—ε的湍流模型,該模型主要適用于高雷諾數下充分發展的湍流流動與換熱,與實際情況有些差別。

表1 不同速度換熱系數

4 結語

在現有實驗成果的基礎上,利用Fluent軟件建立矩形翅片管式換熱器單元內三維流動的數學物理模型,并進行了相應的數值模擬計算。計算結果與實驗結果的相對誤差不大,充分說明了數值模擬的正確性。模擬結果直觀地顯示了翅片管式換熱器單元內的流場結構和換熱特點。模擬結果表明:空氣外掠翅片管時,管后翅片上的流體發生分離,形成一循環流動的尾流區,尾流區內流體的循環流動不能帶走熱量,導致溫度升高,換熱效果差。這一區域是對流換熱的薄弱區域。本文的研究為矩形翅片管式換熱器強化傳熱的深入研究提供了理論依據,在換熱薄弱的區域采取強化傳熱措施將取得事半功倍的強化效果。

[1] 王厚華.外掠單排矩形翅片管的強化換熱實驗研究[J].暖通空調,1995,25(3):34-37.

[2] 王厚華,楊延萍,江 村.單片矩形翅片表面的換熱系數分布[J].重慶建筑大學學報,1998,20(5):57-60.

[3] 蘇 華.擾流孔型翅片管傳熱與流阻性能實驗研究和翅片的數值計算[D].重慶:重慶建筑大學碩士學位論文,1999.

[4] 范亞明.雙側開非對稱圓孔—半圓孔翅片管的傳熱與流阻性能試驗研究及翅片效率的數值計算[D].重慶:重慶大學碩士學位論文,2000.

[5] 王厚華,高建衛,彭宣偉.圓孔翅片積霜工況下的制冷性能實驗[J].重慶大學學報,2007,30(5):4-10.

[6] 陶文銓.數值傳熱學[M].西安:西安交通大學出版社,1998:264-289.