陳 彪， 余 敏， 龍時(shí)丹， 王曉陽(yáng)

（1.上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093；2.上海法維萊交通車(chē)輛有限公司，上海 201906）

翅片管式換熱器空氣側(cè)流動(dòng)及換熱性能的數(shù)值模擬

陳 彪1， 余 敏1， 龍時(shí)丹2， 王曉陽(yáng)1

（1.上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093；2.上海法維萊交通車(chē)輛有限公司，上海 201906）

借助CFD軟件對(duì)3種不同類(lèi)型的翅片管式換熱器（平直翅片、均勻波紋翅片和傾角漸增波紋翅片）的流動(dòng)傳熱性能進(jìn)行了三維數(shù)值模擬計(jì)算，得出了在不同入口風(fēng)速下各流域中心面的溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)分布圖，計(jì)算出各翅片表面在不同風(fēng)速下的平均傳熱系數(shù)和阻力系數(shù)，并與相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，證明該數(shù)值模擬的正確性.研究結(jié)果表明，傾角漸增波紋翅片的平均努謝爾數(shù)比平直翅片的高13.8%～29.3%，比均勻波紋翅片的高5.5%～10.3%，其強(qiáng)化傳熱效果顯著.

翅片管式換熱器；數(shù)值模擬；傳熱系數(shù)；阻力系數(shù)

目前，翅片管式換熱器已廣泛應(yīng)用于石油化工、航空航天、車(chē)輛工程、動(dòng)力機(jī)械及低溫制冷等領(lǐng)域.由于翅片管式換熱器的主要熱阻為空氣側(cè)熱阻，因而合理設(shè)計(jì)翅片結(jié)構(gòu)和增強(qiáng)翅片側(cè)傳熱性能是改善翅片管式換熱器性能最有效也是最常用的途徑.傳統(tǒng)方法主要是使用波形翅片和孔槽型翅片，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)翅片管式換熱器空氣側(cè)的換熱進(jìn)行了許多實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的研究工作.例如，陳瑩等對(duì)不同迎面風(fēng)速下平直翅片和波形翅片進(jìn)行了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)的對(duì)比研究［1］.Wongwises和Chokeman實(shí)驗(yàn)研究了波形翅片管式換熱器的翅片傾斜度和管排數(shù)對(duì)空氣側(cè)換熱性能的影響，結(jié)果表明，雷諾數(shù)高于2 500時(shí)，隨著翅片傾斜度的增加，阻力系數(shù)增加，但是，對(duì)換熱因子的影響不是很顯著；雷諾數(shù)低于4 000時(shí)，換熱因子和阻力系數(shù)隨著管排數(shù)的增加而降低［2］. Jang和Chen通過(guò)數(shù)值模擬研究了三維波形翅片管式換熱器中的傳熱和流動(dòng)特性，結(jié)果表明，波形翅片的換熱因子比相應(yīng)的平直翅片的高63%～73%，阻力系數(shù)也高出75%～102%［3］.信石玉和崔曉鈺利用數(shù)值模擬的方法，研究了空調(diào)系統(tǒng)用的翅片管式換熱器的開(kāi)縫翅片的開(kāi)縫微肋結(jié)構(gòu)對(duì)翅片整體的流動(dòng)與傳熱特性的影響，得出翅片開(kāi)縫微肋在既定工況下存在最佳傾斜角度等結(jié)論［4］.作者使用CFD軟件對(duì)平直翅片管換熱器和波紋翅片管換熱器的空氣側(cè)氣流進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，其中，波紋翅片管又分為均勻波紋翅片與傾角漸增波紋翅片，得出了3種類(lèi)型翅片換熱器的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)及壓力場(chǎng)的分布情況，其結(jié)果對(duì)工程應(yīng)用及換熱器研究具有一定的參考價(jià)值.

1 物理及數(shù)學(xué)建模

1.1 幾何模型及邊界條件

首先對(duì)計(jì)算模型作幾點(diǎn)簡(jiǎn)化和假設(shè)：

a.忽略輻射換熱，不考慮換熱管軸向傳熱及管排間的逆向?qū)?

b.馬赫數(shù)較低，流動(dòng)是不可壓縮流動(dòng).

c.翅片導(dǎo)熱系數(shù)無(wú)限大，即翅片上的溫度均勻分布.

d.忽略翅片和管外壁的接觸熱阻.

數(shù)值模擬使用的是商業(yè)軟件Fluent 6.3.26，由前處理軟件Gambit 2.4.6建立三維模型并劃分網(wǎng)格.翅片的材料為鋁，3種翅片的結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示，邊界條件設(shè)置如表2所示.以均勻波紋翅片管為例，它的計(jì)算區(qū)域及邊界條件定義分別如圖1和圖2所示.u為空氣入口速度，T為空氣溫度.

表1 翅片幾何尺寸Tab.1 Sizes of fin

表2 邊界條件Tab.2 Boundary condition

1.2 數(shù)學(xué)模型

空氣入口速度u取值范圍為0.5～5.0 m／s，雷諾數(shù)Re＜2 000，因此，空氣在翅片間的流動(dòng)狀態(tài)為層流.控制方程參考文獻(xiàn)［5］.

質(zhì)量守恒方程

式中，ui為速度分量；xi為坐標(biāo)分量；ρ為空氣密度.

圖1 均勻波紋翅片計(jì)算區(qū)域示意圖Fig.1 Sketch of computational domain of average pitch wave-fin

動(dòng)量守恒方程

式中，uk為速度分量；μ為空氣動(dòng)力黏度；p為壓力.

能量守恒方程

式中，k為空氣導(dǎo)熱系數(shù)；cp為空氣比定壓熱容.

圖2 邊界條件示意圖Fig.2 Sketch of boundary conditions

2 研究方法

通過(guò)CFD軟件的前處理軟件Gambit建立三維模型，將流域中心面設(shè)置為周期邊界并劃分周期網(wǎng)格.對(duì)于平直翅片，由于結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，使用的是六面體和四面體混合結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，而對(duì)波形翅片采用的是四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格.在Fluent軟件中設(shè)置翅片和換熱管為固體壁面邊界條件，溫度固定在318 K.求解器中設(shè)置能量方程和動(dòng)量方程的離散格式為二階迎風(fēng)格式，選取Simple算法求解壓力速度耦合方程.為保證精度，在求解迭代過(guò)程中需使連續(xù)性方程和動(dòng)量方程殘差小于10-3，能量方程殘差小于10-6，并檢驗(yàn)進(jìn)出口流體熱流量差是否達(dá)到10-3W量級(jí)，假如滿足以上條件，可認(rèn)為計(jì)算已經(jīng)收斂［6］.本文設(shè)定迭代步數(shù)為1 000，計(jì)算收斂后再對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析和討論.

3 結(jié)果分析與討論

3.1 不同翅片形式的換熱流動(dòng)情況分析

選取空氣入口速度為2 m／s時(shí)流域中心面的溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)分布進(jìn)行分析討論.

分析圖3可以看出，由于平直翅片表面平坦光滑，氣體所受擾動(dòng)較弱，換熱過(guò)程比較柔和，溫度等值線光滑而均勻，呈分層波紋狀.而對(duì)于波紋翅片，氣流擾動(dòng)較強(qiáng)，換熱強(qiáng)烈，溫度場(chǎng)分布不均且變化劇烈，溫度等值線分布紊亂，呈狹長(zhǎng)帶狀.在迎風(fēng)側(cè)，溫度梯度較大，換熱強(qiáng)烈；在背風(fēng)側(cè)，恰好相反.這是因?yàn)楸筹L(fēng)面發(fā)生繞流脫體影響了換熱，波紋翅片對(duì)繞流脫體現(xiàn)象有一定的破壞作用，因而波紋翅片增強(qiáng)了換熱效果.

圖3 溫度場(chǎng)分布Fig.3 Distribution of temperature fields

分析圖4（見(jiàn)下頁(yè)）可以看出，平直翅片的壓力場(chǎng)均勻分布，為分層波紋狀.而波紋翅片的壓力場(chǎng)比較紊亂，分層比較狹長(zhǎng).由于波紋翅片對(duì)流場(chǎng)的擾動(dòng)作用比平直翅片的大，因而造成的阻力損失較大，要保持相同的進(jìn)口流速和進(jìn)出口壓力，必須增大風(fēng)機(jī)的功率.在最小流通截面的兩側(cè)，壓力先降后升，近壁面處有負(fù)壓區(qū)存在，這是因?yàn)榱黧w在繞流圓管時(shí)，流通截面的變化引起速度變化，導(dǎo)致空氣靜壓先減后增，從而出現(xiàn)沿程壓力的周期性變化.

分析圖5（見(jiàn)下頁(yè)）可以看出，空氣橫掠叉排管束時(shí)由于流通截面的漸縮和漸擴(kuò)作用，使流動(dòng)速度產(chǎn)生周期性的交替變化，同時(shí)在背風(fēng)面產(chǎn)生了局部的回流和漩渦，但是，相比平直翅片，波紋翅片的脫體回流區(qū)較小，這樣就增強(qiáng)了背風(fēng)側(cè)的換熱效果.

3.2 不同空氣入口速度下?lián)Q熱情況分析

空氣入口速度與壓降Δp、換熱量Q之間的變化關(guān)系曲線如圖6和圖7所示.

圖4 壓力場(chǎng)分布Fig.4 Distribution of pressure fields

圖5 速度矢量分布Fig.5 Distribution of velocity vector

圖6 空氣入口速度與換熱量關(guān)系曲線Fig.6 Curve of velocity vs.quantity of heat

圖7 空氣入口速度與壓降關(guān)系曲線Fig.7 Curve of velocity vs.pressure drop

分析圖6可以看出，3種翅片換熱器的換熱量都隨空氣入口速度的增大呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì).以3 m／s的入口速度為例，均勻波紋翅片和傾角漸增波紋翅片的換熱量分別是平直翅片的1.18倍和1.23倍，即在相同工況下，傾角漸增波紋翅片的換熱效果最好，而平直翅片的最差.但是，從圖7可以看到，隨著空氣入口速度的增大，各翅片管式換熱器的壓力損失也顯著增大，且傾角漸增波紋翅片的增幅最大，最大時(shí)為平直翅片的2.03倍，即翅片類(lèi)型對(duì)阻力性能有很大的影響.由此可以認(rèn)為，波紋翅片增強(qiáng)了傳熱效果，壓力損失也相應(yīng)增加.但是，在對(duì)換熱器體積要求嚴(yán)格且需要較高換熱量的場(chǎng)合，波紋翅片的優(yōu)勢(shì)是顯而易見(jiàn)的，而且傾角漸增波紋翅片比均勻翅片的換熱效果更佳.

雷諾數(shù)Re與阻力系數(shù)f、努謝爾數(shù)Nu之間的關(guān)系曲線如圖8和圖9所示.

分析圖8和圖9也能得出上述相同的結(jié)論，即傾角漸增波紋翅片的換熱效果最好，同時(shí)阻力損失也最大.本文對(duì)均勻翅片的數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果略大于文獻(xiàn)［1］中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如圖9所示，其雷諾數(shù)Re與努謝爾數(shù)Nu之間的關(guān)系曲線變化趨勢(shì)一致，誤差在10%以內(nèi)，其影響因素主要是實(shí)驗(yàn)散熱損失及翅片實(shí)際尺寸與設(shè)計(jì)尺寸的誤差.因此，可以認(rèn)為數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果是相對(duì)可靠的.

圖8 雷諾數(shù)與阻力系數(shù)關(guān)系曲線Fig.8 Curve of Re vs.f

圖9 雷諾數(shù)與努謝爾數(shù)關(guān)系曲線Fig.9 Curve of Re vs.Nu

4 結(jié) 論

a.平直翅片的溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)分布均勻，呈分層波紋狀；波紋型翅片的溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)分布相對(duì)紊亂，呈狹長(zhǎng)帶狀.

b.在其它工況不變時(shí)，增大空氣入口速度可以增強(qiáng)翅片的換熱效果，同時(shí)，空氣入口速度的增大也會(huì)使阻力損失增加，所以，空氣入口速度的提升應(yīng)當(dāng)在壓降允許范圍之內(nèi).

c.流體橫掠平直翅片時(shí)，速度場(chǎng)的變化相對(duì)平緩，脫體漩渦區(qū)域較大，不利于背風(fēng)面換熱；而對(duì)波紋翅片，流場(chǎng)速度變化劇烈，脫體區(qū)漩渦形成受阻，因而有利于背風(fēng)面充分換熱.

d.雷諾數(shù)Re在400～1 500的范圍內(nèi)，波紋翅片的傳熱性能強(qiáng)于平直翅片的，因?yàn)椋y翅片不僅可以加大流道的長(zhǎng)度，而且它波紋狀的流道使流體充分混合，從而增強(qiáng)了傳熱效果；波紋翅片改變了流體的速度場(chǎng)，減小了速度矢量和熱流密度矢量的夾角，從而增強(qiáng)了場(chǎng)協(xié)同的程度，強(qiáng)化了換熱［7］.

e.空氣入口速度在0.5～5.0 m／s時(shí)，傾角漸增波紋翅片的換熱系數(shù)比平直翅片的高13.8%～29.3%，傾角漸增波紋翅片的壓降損失比平直翅片的高14.1%～108.2%；均勻波紋翅片的換熱系數(shù)比平直翅片的高8.3%～18.9%，均勻波紋翅片的壓降損失比平直翅片的高10.0%～71.8%.因此，在實(shí)際工程應(yīng)用中可以按照換熱器的運(yùn)行工況和使用條件選擇不同類(lèi)型的翅片.

［1］ 陳瑩，高飛，高岡大造，等.翅片管式換熱器空氣側(cè)性能的數(shù)值模擬［C］∥中國(guó)制冷學(xué)會(huì)2009年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.北京：中國(guó)制冷學(xué)會(huì)，2009：1-5.

［2］ Wongwises S，Chokeman Y.Effect of fin pitch and number of tube rows on the air side performance of herringbone wavy fin and tube heat exchangers［J］. Energy Conversion and Management，2005，46（13／14）：2216-2231.

［3］ Jang J，Chen L K.Numerical analysis of heat transfer and fluid flow in a three-dimensional wave-fin and tube heat exchanger［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，1997，40（16）：3981-3990.

［4］ 信石玉，崔曉鈺.微肋角度對(duì)開(kāi)縫翅片流動(dòng)與傳熱性能影響的三維數(shù)值模擬［J］.上海理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，31（6）：525-528.

［5］ 王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析——CFD軟件原理與應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004.

［6］ 韓占忠，王敬，蘭小平.FLUENT流體工程仿真計(jì)算實(shí)例與應(yīng)用［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2004.

［7］ 過(guò)增元.換熱器中的場(chǎng)協(xié)同原則及其應(yīng)用［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2003，39（12）：1-9.

（編輯：石 瑛）

Numerical Simulation of Heat Transfer and Fluid Flow in Fin and Tube Heat Exchanger on the Air Side

CHENBiao1， YUMin1， LONGShi-dan2， WANGXiao-yang1
（1.School of Energy and Power Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China；2.Shagnhai Faively Traffic Equipment Co.，Ltd.，Shanghai 201906，China）

The performance of flow and heat transfer of three kinds of fin and tube heat exchangers including plane fin，average pitch wave-fin and increasing pitch wave-fin heat exchangers were numerically simulated with CFD software，and the distributions of temperature，pressure and velocity on each central plane of fluid region were obtained.In addition，the mean surface heat transfer coefficient and resistance coefficient of fin were measured under different wind velocity.The numerical results were proved to be correct by the available experimental data.The study indicates that Nu number of the increasing pitch wave-fin is 13.8%～29.3%higher than the plane fin，and 5.5%～10.3%higher than the average pitch wave-fin，thus achieving remarkable heat transfer enhancement.

fin and tube exchanger；numerical simulation；heat transfer coefficient；resistance coefficient

TK 121

A

2013-08-13

陳 彪（1989-），男，碩士研究生.研究方向：數(shù)值傳熱.E-mail：greycat161＠126.com

余 敏（1952-），女，教授.研究方向：能源有效利用與節(jié)能技術(shù).E-mail：usstym＠qq.com

1007-6735（2014）04-0307-05

10.13255／j.cnki.jusst.2014.04.001