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(大連理工大學 能源與動力學院，遼寧 大連 116024)

V形肋片型太陽能空氣集熱器換熱特性的研究

徐莎莎，金東旭，張曼曼

(大連理工大學 能源與動力學院，遼寧 大連 116024)

本文運用數(shù)值模擬的方法，對帶有多重V形肋片的平板型太陽能空氣集熱器的換熱與流動特性進行了研究。在雷諾數(shù)5 000～20 000范圍內(nèi)，采用RNGk-ε湍流模型，研究了相對肋寬比(W/w)對集熱器換熱特性的影響規(guī)律，并對集熱器內(nèi)部流場進行了分析。研究結(jié)果表明，V形肋片增強了空氣的對流換熱。這是由于流體掠過肋片后，產(chǎn)生旋渦和回流，加強了流體擾動，從而使換熱增強。相對其它肋寬比而言，W/w=6時，集熱器具有較好的換熱效果，努塞爾數(shù)為光滑壁面的2.54倍，但肋片的存在導致摩擦損失增加，換熱性能因數(shù)最大為1.55。

太陽能空氣集熱器；平板型集熱器；數(shù)值模擬；強化換熱；V形肋片

開發(fā)利用太陽能，對節(jié)約常規(guī)能源、保護自然環(huán)境、減緩氣候變化等都具有極其重要的意義。平板型集熱器是太陽能低溫熱利用系統(tǒng)的主要部件，主要有吸熱板、透明蓋板、隔熱材料和外殼等幾部分組成。平板型集熱器工作時，太陽輻射穿過透明蓋板，投射到吸熱板上，被吸熱板吸收并轉(zhuǎn)換為熱能，使傳熱介質(zhì)的溫度升高。為了提高太陽能集熱器的性能，增強換熱，近年來出現(xiàn)了許多新的吸熱板形式，主要有在吸熱板上增加肋片、倒角、金屬絲網(wǎng)及起皺模塊等，這些新型吸熱板增強了流體的擾動，從而提高了對流換熱系數(shù)和集熱器的熱效率。

近年來，國內(nèi)外學者從不同角度對太陽能空氣集熱器進行了大量研究。研究表明，設(shè)置肋片是提高換熱系數(shù)和強化換熱的有效方法。Abdul-Malik等[1]設(shè)計了帶有V形肋片的平板型集熱器，并對其進行了實驗研究，結(jié)果表明，V形肋片在強化換熱，增強流體擾動方面明顯優(yōu)于光滑的平板型集熱器。Tanda等[2]對離散型V形肋片的集熱器進行了研究，發(fā)現(xiàn)離散型V形肋片能有效促進湍流，強化對流換熱。Youcef-Ali等[3]提出了帶有交錯式矩形翅片的集熱器，該集熱器具有較高的單位體積換熱面積和較低的壓力損失。Saini和Verma等[4]設(shè)計了帶有半球形凹槽的吸熱板，并實驗研究了凹槽的組數(shù)和幾何尺寸對集熱器換熱特性的影響。Varun等[5]、Karmare等[6]和Karwa等[7]實驗研究了離散的傾斜肋片，結(jié)果表明離散肋片能有效的破壞層流底層，提高換熱性能。Youcef-Ali等[9]對帶有交錯式的矩形翅片的集熱器進行了數(shù)值模擬。Chaube等[10]和Eiamsa-ard等[11]采用SSTk-ω湍流模型研究了吸熱板上的矩形直肋對流動和換熱產(chǎn)生的影響。Karmare等[12]對傾斜角為60°的離散型傾斜肋片進行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明它在強化換熱方面有很好的表現(xiàn)。劉一福[13]、夏佰林[14]和胡建軍[15]對折流板型太陽能空氣集熱器的內(nèi)部流動和傳熱性能進行了實驗和數(shù)值模擬研究。

多重V形肋片是在V形基礎(chǔ)上的改進，Hans等[8,16]和Kumar等[17]對帶有肋片、倒角等的一些集熱器模型的總結(jié)中發(fā)現(xiàn)，帶有多重V形肋片的平板型集熱器在強化換熱方面具有良好的表現(xiàn)。雖然已有不少的學者對V形肋片進行了研究，但大多以實驗為主，難以給出集熱器內(nèi)部的溫度場和速度場等特性，以便從機理上對集熱器傳熱性能進行分析。本文利用fluent計算軟件，對帶有多重V形肋片的平板型集熱器進行了數(shù)值模擬，研究了集熱器通道內(nèi)部流場及換熱特性，為平板型集熱器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了依據(jù)。

1 物理模型

平板型空氣集熱器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，肋片位于吸熱板下表面。

圖1 平板型空氣集熱器的結(jié)構(gòu)圖

本文的研究模型如圖2所示，矩形通道的高(H)為30 mm，寬(W)為300 mm，肋高(e)為3 mm，肋厚為0.3 mm，肋片傾角(α)為60°，肋片節(jié)距(P)為60 mm，用w表示單個V形肋片的寬度。系統(tǒng)的入口段長度為500 mm，計算段長度為1 000 mm，出口段長度為500 mm，吸熱板厚度為6 mm。入口采用速度入口邊界條件，出口采用壓力出口，上表面為1 000 W/m2的恒熱流密度。只考慮集熱器流道內(nèi)吸熱板與空氣之間的對流換熱，集熱器側(cè)面及底面絕熱。本文對相對肋寬比W/w為1、2、3、4、5、6、8、10的八個模型進行研究。

圖2 計算模型

2 網(wǎng)格及計算模型的選擇

2.1 網(wǎng)格無關(guān)性檢驗

本文選用W/w=5的模型進行網(wǎng)格無關(guān)性檢驗。對W/w=5模型采用五種網(wǎng)格劃分方式，分別得到144萬、240萬、430萬、670萬和849萬五種網(wǎng)格。這五種網(wǎng)格在肋片和壁面處都進行局部加密，如圖3所示。

圖3 非均勻網(wǎng)格

在Re=10 000時，對這五種網(wǎng)格分別采用標準k-ε模型、RNGk-ε模型、Realizablek-ε模型、標準k-ω模型、SSTk-ω模型和雷諾壓力模型(RSM)六種不同的湍流模型進行模擬，得出的結(jié)果見表1。根據(jù)表1可以看出，采用670萬的網(wǎng)格，壁面Nu數(shù)已經(jīng)基本穩(wěn)定，網(wǎng)格數(shù)再增加到850萬時，Nu數(shù)變化很小。670萬的網(wǎng)格采用貼壁最小網(wǎng)格0.08 mm，增長率1.2，最大網(wǎng)格1.6 mm進行劃分，在貼壁處y+≈1，可以用來對層流底層(y+<5)進行計算。

2.2 選擇湍流模型與近壁面的處理方法

表1中的模擬結(jié)果與文獻[18]對比發(fā)現(xiàn)，采用RNGk-ε模型的計算結(jié)果與實驗結(jié)果最接近。RNGk-ε模型為低雷諾數(shù)流模型，可以正確的計算近壁區(qū)域，在彎曲流線、漩渦和旋轉(zhuǎn)等方面能夠做出比較準確的預測。

湍流流動受壁面的影響很大，在近壁面粘性力將抑制流體切線方向速度的變化，在動量、熱量及質(zhì)量交換中都起主導作用。增強壁面處理是一種近壁面的處理方法，它通過增強壁面函數(shù)結(jié)合了一個雙層模型。如果靠近壁面的網(wǎng)格足夠好，就能夠?qū)Ρ∑瑺畹膩啽韺?典型情況y+≈1)進行處理。所以本文選用RNGk-ε湍流模型，增強壁面函數(shù)進行計算。

表1 不同網(wǎng)格數(shù)和湍流模型下的壁面Nu數(shù)計算結(jié)果

3 計算結(jié)果及分析

圖4及圖5給出了相對肋寬比(W/w)對壁面Nu數(shù)和摩擦阻力系數(shù)的影響。由圖4可以看出隨著W/w的增大，Nu數(shù)先增大，當W/w達到3時，Nu數(shù)趨于穩(wěn)定，當W/w> 6時，隨著W/w的繼續(xù)增大，Nu數(shù)逐漸減小。圖5顯示了W/w對摩擦阻力系數(shù)的影響。隨著W/w的增大，摩擦阻力系數(shù)也是先增大后減小。雷諾數(shù)在5 000～12 000范圍內(nèi)時，W/w=6時的摩擦阻力系數(shù)最大；雷諾數(shù)在15 000～20 000范圍內(nèi)時，W/w=8時的摩擦阻力系數(shù)最大。

為了評價不同幾何形狀肋片的性能，采用換熱性能因數(shù)(η)進行對比，換熱性能因數(shù)定義為

(1)

式中,光滑壁面的Nus數(shù)和摩擦阻力系數(shù)fs分別采用式(2)和式(3)進行計算[8]

Nus=0.024Re0.8Pr0.4

(2)

fs=0.085Re-0.25

(3)

圖6給出了相對肋寬比(W/w)對換熱性能因數(shù)的影響。從圖6可以看出，當雷諾數(shù)在5 000～8 000的范圍內(nèi)時，W/w=5的集熱器具有最好的傳熱性能。當雷諾數(shù)在10 000～18 000的范圍內(nèi)時，W/w=6的集熱器具有最好的傳熱性能。當雷諾數(shù)等于20 000時，W/w=8的集熱器具有最好的傳熱性能?？傮w來說W/w=6時集熱器具有較好的傳熱性能。

圖4 不同Re數(shù)下，相對肋寬比W/w對Nu數(shù)的影響

圖5 相對肋寬比(W/w)對摩擦阻力系數(shù)的影響

圖6 相對肋寬比(W/w)對換熱性能因數(shù)的影響

圖7為光滑壁面和多重V型肋壁面(W/w=6)的Nu數(shù)變化云圖，可以看出，帶有多重V型肋的壁面Nu數(shù)比光滑壁面有很大提高。圖8給出了Nu數(shù)沿換熱壁面的變化圖。從圖中可以看到，總體上講，肋片尾端處沿主流方向(a切面)上的壁面Nu數(shù)明顯大于肋片頂端處沿主流方向(c切面)上的壁面Nu數(shù)，結(jié)合圖7可以看出，Nu數(shù)從a切面向c切面逐漸減小。但是，對于肋片背風面上的Nu數(shù)，肋片頂端處最大，并向肋片尾端方向逐漸減小。在肋片表面，Nu數(shù)隨肋片高度的增加而增加。在肋片之間，沿主流方向Nu數(shù)先增大后減小，在臨近肋片處又先急劇增大后又急劇減小。

圖7 光滑壁面和多重V型肋壁面(W/w=6)的Nu數(shù)變化云圖

圖8 Nu數(shù)沿換熱壁面的變化 (a)切面a處;(b)切面b處;(c)切面c處

圖9 速度矢量圖

圖9為流體的速度矢量圖。可以看出，a切面上的流速總體上大于c切面，流速由a切面向c切面逐漸減小。另外，由翅片處速度矢量放大圖e、f、g可以看出，a切面處產(chǎn)生的旋渦較小且離翅片較遠，而c切面處產(chǎn)生的旋渦較大，離翅片較近?？梢钥闯?，肋片的存在加強了靠近壁面處的流體的擾動，破壞了層流底層。流體掠過肋片后，由于死區(qū)的存在，靠近肋片處，幾乎沒有對流換熱，Nu數(shù)很?。浑S著到肋片距離的增大，對流換熱增強，Nu增大；繼續(xù)向前流動，受下一個翅片的影響，產(chǎn)生回流，使Nu急劇增大，由于死區(qū)的存在，Nu又急劇減小。

隨著肋片組數(shù)的增多，旋渦的組數(shù)和肋片尾端的個數(shù)也增多，所以Nu數(shù)增大，但是由于旋渦的大小受肋片寬度的限制，所以當相對肋寬比增大到一定數(shù)目后，Nu數(shù)不再增加，反而有所減小。

在吸熱板表面增加V形肋片，由于換熱系數(shù)的增加，可以在實質(zhì)上提高太陽能集熱器的換熱性能。雖然產(chǎn)生的繞流破壞了層流底層，但是核心流動并沒有受到破壞，因此避免了過多的摩擦損失。

4 結(jié)論

本文用數(shù)值模擬(CFD)的方法研究了帶有多重V形肋片的平板型空氣集熱器的換熱特性，結(jié)果表明，V形肋片有效增強了對流換熱。

(1)多重V形肋片可以強化集熱器的傳熱，同時避免較大的摩擦損失；

(2)在肋片之間，Nu數(shù)沿主流方向先增大后減小，而在肋片表面上，Nu數(shù)則從肋片尾端向肋片頂端逐漸減??；

(3)當相對肋寬比為W/w=6時，集熱器具有較好的傳熱性能，此時Nu數(shù)是光滑壁面的2.54倍，換熱性能因數(shù)最大為1.55。

[1]Abdul-Malik Ebrahim Momin, J S Saini, S C Solanki. Heat transfer and friction in solar air heater duct with V-shaped rib roughness on absorber plate[J].International Journal of Heat and Mass Transfer,2002(45):3383-3396.

[2]Giovanni Tanda. Heat transfer in rectangular channels with transverse and V-shaped broken ribs[J].International Journal of Heat and Mass Transfer,2004(47):229-243.

[3]SYoucef-Ali. Study and optimization of the thermal performances of the offset rectangular plate fin absorber plates, with various glazing[J].Renewable Energy,2005(30):271-280.

[4]R P Saini, Jitendra Verma. Heat transfer and friction factor correlations for a duct having dimple-shape artificial roughness for solar air heaters[J].Energy,2008(33):1277-1287.

[5]Varun, R P Saini, S K Singal. Investigation of thermal performance of solar air heater having roughness elements as a combination of inclined and transverse ribs on the absorber plate[J].Renewable Energy,2008(33):1398-1405.

[6]S V Karmare, A N Tikekar. Experimental investigation of optimum thermohydraulic performance of solar air heaters with metal rib grits roughness[J].Solar Energy,2009(83):6-13.

[7]Rajendra Karwa, Kalpana Chauhan. Performance evaluation of solar air heaters having v-down discrete rib roughness on the absorber plate[J].Energy,2010(35):398-409.

[8]V S Hans, R P Saini, J S Saini. Heat transfer and friction factor correlations for a solar air heater duct roughened artificially with multiple v-ribs[J].Solar Energy,2010(84):898-911.

[9]SYoucef-Ali, J Y Desmons. Numerical and experimental study of a solar equipped with offset rectangular plate fin absorber plate[J].Renewable Energy,2006(31):2063-2075.

[10]Alok Chaube, P K Sahoo, S C Solanki. Analysis of heat transfer augmentation and flow characteristics due to rib roughness over absorber plate of a solar air heater[J].Renewable Energy,2006(31):317-331.

[11]Smith Eiamsa-ard, Pongjet Promvonge. Numerical study on heat transfer of turbulent channel flow over periodic grooves[J].International Communications in Heat and Mass Transfer,2008(35):844-852.

[12]SV Karmare, A N Tikekar. Analysis of fluid flow and heat transfer in a rib grit roughened surface solar air heater using CFD[J].Solar Energy,2010(84):409-417.

[13]劉一福，黃坤榮，王玉林.擾流板型太陽能平板空氣集熱器數(shù)值模擬分析[J].機械研究與應用,2012(1):65-68.

[14]夏佰林，趙東亮，代彥軍，等.擾流板型太陽能平板空氣集熱器集熱性能[J].上海交通大學學報,2011,45(6):870-873.

[15]劉一福.擾流板型太陽能平板空氣集熱器數(shù)值模擬研究[D].衡陽:南華大學,2012

[16]Vishavjeet Singh Hans, R P Saini, J S Saini. Performance of artificially roughened solar air heaters—A review[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2009(13):1854-1869.

[17]Anil Kumar, R P Saini, J S Saini. Heat and fluid flow characteristics of roughened solar air heater ducts-A review[J].Renewable Energy,2012(47):77-94.

[18]Pongjet Promvonge. Heat transfer and pressure drop in a channel with multiple 60° V-baffles[J].International Communications in Heat and Mass Transfer,2010(37):835-840.

StudyonHeatTransferCharacteristicsofSolarAirCollectorwithV-shapedRibs

XU Sha-sha, JIN Dong-xu, ZHANG Man-man

(Energy and Power Engineering, Dalian University of Technology,Dalian 116024,China)

A numerical simulation is conducted for the flow and heat transfer characteristics in solar air collector with multi v-shaped fins. Effects of the relative roughness width ratio (W/w) on the heater transfer performance and flow field were investigated adopting the RNGk-εturbulence model for the Reynolds number range from 5 000 to 20 000. The results show that usage of the v-shaped fins can enhance the convective heat transfer as a result of the disturbance of the vortex and the backflow that form during the air flow pasts the v-shaped fins. Compared with other values ofW/w, air collector has better heat transfer enhancement atW/w=6 and the Nusselt number is 2.54 times of that without fins. However, using the fins leads to the increase of the friction loss. The maximum thermal enhancement factor is 1.55.

solar air collector; flat-plate collector; numerical simulation; heat transfer enhancement; v-shaped fin

2014-02-25修訂稿日期2014-04-21

遼寧省自然科學基金項目(2013020156)

徐莎莎(1987～)，女，碩士研究生，研究方向為強化換熱。

TK512;TK513;TK515

A

1002-6339 (2014) 05-0414-05