賈潤澤,王義春, 余志毅,榮 俊

(北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081)

橋式翅片流動和傳熱性能的實驗研究和數(shù)值模擬

賈潤澤,王義春?, 余志毅,榮 俊

(北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081)

對設(shè)計的橋式翅片換熱器空氣側(cè)的傳熱和阻力性能進(jìn)行了實驗研究，將大量的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了線性回歸，得出了在實驗雷諾數(shù)范圍內(nèi)傳熱和阻力性能關(guān)聯(lián)式及特性曲線.對比可知，在相同泵功情況下橋式翅片換熱器比相同尺寸的平直翅片換熱器具有更高的傳熱性能.同時，對以上兩種翅片空氣側(cè)的溫度場和速度場進(jìn)行了數(shù)值模擬，并利用場協(xié)同原理對模擬結(jié)果進(jìn)行了分析．分析結(jié)果表明，橋式翅片換熱器具有更高傳熱性能的根本原因在于翅片的橋式布置能有效地改善翅片溫度場和速度場的協(xié)同性.

橋式翅片；換熱器；實驗研究；數(shù)值模擬；場協(xié)同

多年來，人們對散熱器翅片強(qiáng)化傳熱開展了大量研究，并提出了很多有效的強(qiáng)化傳熱的方法，其中將翅片開縫就是其中一種[1].這是因為在翅片上開縫可以破壞邊界層的生長，從而抑制傳熱系數(shù)沿流動方向上的降低.同時將翅片的開縫位置加工成拱橋狀，形成所謂的橋式開縫翅片，其在不減少換熱面積的情況下進(jìn)一步增大氣流的擾動，這樣有可能會進(jìn)一步提高開縫翅片空氣側(cè)的傳熱性能，但同時也會帶來負(fù)面效應(yīng)，比如增大空氣阻力，增加功率消耗等.

目前對于開縫翅片的傳熱及阻力特性的研究比較多[2-5].李惠珍等[6]對2排X型雙向開縫翅片進(jìn)行了實驗研究和模擬計算，并將實驗結(jié)果與同尺寸的單向開縫翅片和平直翅片進(jìn)行了比較，研究結(jié)果表明開縫翅片的傳熱性能遠(yuǎn)高于平直翅片，且X型的雙向開縫翅片的性能要好于單向開縫翅片.Yun J Y等[7]的研究顯示翅片節(jié)距、開縫翅片的縫寬、縫長、縫高、開縫數(shù)及縫的分布等都不同程度地影響其流動和傳熱性能.屈治國等[8]在對平直開縫翅片的傳熱特性進(jìn)行了數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步應(yīng)用場協(xié)同理論對計算結(jié)果進(jìn)行了分析，計算結(jié)果顯示在速度場和溫度場協(xié)同比較差的區(qū)域開縫要比在場協(xié)同比較好的區(qū)域開縫對傳熱強(qiáng)化更有效.綜合上面分析發(fā)現(xiàn)，對開縫翅片的已有研究主要集中在純開縫形式的翅片上，而對于橋式開縫翅片的流動及傳熱特性的研究還有待進(jìn)一步的開展.

本文采用實驗研究和數(shù)值模擬的方法，對橋式翅片換熱器和同尺寸的平直翅片換熱器進(jìn)行了研究，并利用場協(xié)同理論對計算結(jié)果進(jìn)行分析，為橋式翅片換熱器進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計提供了依據(jù).

1 實驗裝置及元件參數(shù)

實驗測試是在標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)洞實驗臺上進(jìn)行的，測試采用熱平衡法.實驗臺由風(fēng)洞、整流柵、恒溫水箱、電加熱器、循環(huán)水泵、水流量測量、水溫控制、壓差測量、閥門、換熱器、溫度傳感器、空氣流量測量、空氣阻力測量、風(fēng)量調(diào)節(jié)裝置、風(fēng)機(jī)、變頻器等組成.實驗臺工作原理如圖1所示.

實驗過程中，通過控制恒溫水浴出口閥門的開度來控制流經(jīng)換熱器的水量，翅片側(cè)空氣的流量則通過改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速(2 000～5 200 r/min ，每隔400 r/min 取一個轉(zhuǎn)速)來加以控制，因此測試共有9個工況點.為提高測量的準(zhǔn)確性，每次測量均在工況穩(wěn)定40 min后進(jìn)行，各工況的熱平衡偏差控制在5% 以內(nèi).如圖1所示，各點的溫度依據(jù)空氣及熱水位置的不同，分別采用水銀溫度計和熱阻式溫度傳感器兩種方式進(jìn)行測量.在空氣側(cè)，空氣的流量采用畢托管配傾斜式微壓計進(jìn)行測量計算，同時，在換熱器前后的風(fēng)管上設(shè)置靜壓測嘴測量空氣通過換熱器的流通壓降.在水側(cè)，通過恒溫水浴加熱使換熱器的入口水溫穩(wěn)定在60 ℃，同時在換熱器進(jìn)出口處設(shè)置壓力表對熱水通過換熱器的前后的壓降進(jìn)行測量.為保證測量的準(zhǔn)確性，水流量的測量采用稱重法.

圖1 實驗臺工作原理

實驗元件為橋式翅片管，所謂橋式翅片，即在管與管的中間開縫并突起成橋式的翅片，其基本單元如圖2所示.基本尺寸為：基管外徑d0=7 mm，翅根管徑d3=7.15 mm；翅片間距s=1.468 mm，翅片厚度δ=0.1 mm；翅片管中心距L=21 mm，翅片寬度L1=13 mm；開縫寬度p1=1 mm(前兩階)，p2=3 mm(最高階)，開縫圓徑D=12 mm；翅片管為單排翅片管，管材及翅片材料均為鋁.

圖2 橋式翅片管開縫布置

2 實驗誤差分析及數(shù)據(jù)整理

實驗測試前為驗證實驗臺的準(zhǔn)確性，用光管進(jìn)行了阻力和傳熱特性實驗，所得的實驗結(jié)果與經(jīng)典的光管布勞修斯公式f=0.316 4Re-0.25及公認(rèn)的Sieder-Tate公式計算式Nu=0.027Re0.8Pr1/3(μ/μw)0.14的計算結(jié)果進(jìn)行了對比，試驗結(jié)果最大偏差均控制在±6%以內(nèi)，表明本實驗臺具有足夠的精確度.

實驗時管外翅片側(cè)為空氣強(qiáng)制對流換熱，管內(nèi)側(cè)為熱水與管內(nèi)壁的強(qiáng)制對流換熱，再加上管自身的導(dǎo)熱，因此翅片管的熱阻共有3部分組成.應(yīng)用熱阻分離法[9]，空氣側(cè)的對流換熱系數(shù)表達(dá)式如下：

(1)式中η0為肋面總效率，η0=(A1+ηfA2)/A0;A1為翅片間基管表面積;A2為翅片表面積;ηf為翅片效率，數(shù)值計算的計算結(jié)果為0.836；Rw為管壁熱阻;Rs為污垢熱阻(本試驗件為新?lián)Q熱器，因此Rs=0)；Ai為管內(nèi)表面積;A0為翅片側(cè)總面積；Rj為接觸熱阻，查資料鋁/鋁為(0.833～4.55)×10-4m2·K/W，對接觸熱阻的計算，目前還沒有準(zhǔn)確的公式加以計算，只能通過實驗獲得，考慮到翅片管的加工工藝和工作環(huán)境，取為3×10-4m2·K/W；hi為管內(nèi)熱水對流換熱系數(shù)，計算公式如式(2)所示，換熱器空氣側(cè)的傳熱系數(shù)、風(fēng)阻系數(shù)的計算公式如式(3),(4)所示：

Nu=hde/λ

(2)

Q=kA0Δtm

(3)

(4)

式中de為換熱器的當(dāng)量直徑;k是換熱器空氣側(cè)面積為基準(zhǔn)的傳熱系數(shù);A0為空氣側(cè)傳熱面積;Δtm為換熱器進(jìn)出口的對數(shù)平均溫差；Δp為試件阻力;um為最小流通截面積對應(yīng)流速;L為沿主流方向換熱板芯長度;ρ為空氣密度.

3 實驗結(jié)果

利用最小二乘法對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合整理，得出橋式翅片管的傳熱和阻力特性實驗關(guān)聯(lián)式如下：

傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式為：Nu=6.173Re0.324 4, 適用范圍為1.59×102

氣側(cè)阻力系數(shù)關(guān)聯(lián)式為：f=0.289 5Re0.192 5,適用范圍為1.59×102

平直翅片管和橋式翅片管的傳熱和阻力特性試驗曲線如圖3所示.從圖中可知，隨著Re增大，翅片空氣側(cè)的對流換熱系數(shù)h也隨之增大，風(fēng)阻系數(shù)f也增大；橋式翅片管的對流換熱能力高于平直翅片，但風(fēng)阻系數(shù)也略高.在實驗的Re范圍內(nèi)，橋式翅片的傳熱能力比平直翅片平均高52%，風(fēng)阻系數(shù)平均高25%.通過比較可知，橋式翅片是一種有效強(qiáng)化空氣的傳熱方式.

10-2Re

4 數(shù)值模擬

4.1 數(shù)值模擬方法

利用有限元分析軟件Fluent對以上2種換熱器的翅片單元進(jìn)行仿真，由于橋式翅片管換熱器在幾何結(jié)構(gòu)上沿橫向和縱向具有周期性和對稱性，因此可以取相鄰翅片間的對稱區(qū)域為計算單元，如圖4所示.利用三維造型軟件solidworks建立的實體模型導(dǎo)入Gambit進(jìn)行網(wǎng)格劃分，Gambit中實體建立遵循點—線—面—體的關(guān)系，通過此順序?qū)A層空間建立實體，根據(jù)流道空間形狀，將實體劃分為六面體網(wǎng)格，有利于計算、收斂和提高精度.該計算模型為三維穩(wěn)態(tài)層流不可壓縮流動，因此算法采用simple算法，模型選用laminar.在計算區(qū)域的選取上，沿流動方向上進(jìn)口取為1.5 L，出口取為5 L以使出口回流影響最小，入口邊界設(shè)置為velocity-inlet，出口邊界為pressure-outlet，流場的四周邊界設(shè)

圖4 橋式翅片單元

為symmetry，圓管與流場和翅片的交界面設(shè)為wall.計算中假設(shè)管壁溫度為固定溫度，翅片的溫度受到空氣流動和翅片管導(dǎo)熱的影響，需要計算確定，因而這是一個對流與導(dǎo)熱的耦合問題，對此問題的邊界條件處理方法可參見文獻(xiàn)[8].至此，完成在Gambit中網(wǎng)格劃分和定義邊界.

4.2 數(shù)值計算結(jié)果與臺架實驗結(jié)果的對比

橋式翅片管通過兩種方式所得的換熱系數(shù)隨迎面風(fēng)速的變化曲線如圖5所示.從趨勢上看，數(shù)值計算結(jié)果與實驗結(jié)果在總體上保持一致，翅片側(cè)的對流換熱系數(shù)在實驗風(fēng)速范圍內(nèi)皆隨迎面風(fēng)速的增加而增加.從定量上進(jìn)行分析，u0=0.8 m/s是個分水嶺，當(dāng)u0>0.8 m/s時，實驗值高于計算值，當(dāng)迎面風(fēng)速u0<0.8 m/s時，實驗值低于計算值；最大誤差出現(xiàn)在u0=2.2 m/s時，誤差為9.8%，說明數(shù)值計算結(jié)果和實驗結(jié)果符合良好.

u/(m·s-1)

4.3 數(shù)值計算結(jié)果分析

本文同時對橋式翅片和相同尺寸的平直翅片進(jìn)行了數(shù)值模擬，計算得到的翅片單元溫度場和速度場如圖6,圖7所示.沿流動方向上對流換熱系數(shù)及溫度梯度和速度梯度夾角隨迎面風(fēng)速的變化曲線如圖8,圖9所示.

(a) 溫度場

(b)速度場

(a) 溫度場

(b)速度場

position/m

u/(m·s-1)

從圖6,圖7可以清楚地看到，翅片形式設(shè)計成橋式后使得邊界層在翅片臺階處被破壞，有效地減薄了厚度，因而對流傳熱顯著強(qiáng)化.還可以從場協(xié)同理論[10]得到進(jìn)一步理解，場協(xié)同原理指出，在相同的溫度和速度的邊界條件下，使速度場和溫度梯度的夾角變小(即提高場的協(xié)同性)，可有效提高換熱效果.由圖6,圖7可知在翅片的進(jìn)口段，速度與溫度梯度的方向幾乎一致，因而速度與溫度梯度的協(xié)同性很好，換熱強(qiáng)烈，但在流經(jīng)翅片間隙時，兩矢量的夾角增加，速度與溫度梯度的協(xié)同性明顯變差，因而局部對流換熱系數(shù)下降，如圖8中的曲線所示.

根據(jù)速度和溫度梯度夾角的計算公式[11]：

式中U為速度矢量;u,v,w分別為U的分量.

得出流體區(qū)域內(nèi)速度場與溫度場夾角的平均值為：

由上式計算得到的沿流場方向上協(xié)同角隨迎面風(fēng)速的變化曲線如圖9所示.由圖9可知，平直翅片在整個流場的平均協(xié)同角要高于橋式翅片，而且隨著迎面風(fēng)速的增加有增大的趨勢.因此可以看出，橋式翅片相對于平直翅片具有更好的溫度場和速度場的協(xié)同性，這也是圖8中橋式翅片空氣側(cè)對流換熱系數(shù)沿流動方向下降較慢的原因.

就阻力損失而言，如圖10所示，橋式翅片使流動阻力增加，因而橋式翅片的進(jìn)出口壓力損失高于相應(yīng)的平直翅片，但在迎面風(fēng)速0.6～2.8m/s的范圍內(nèi)，橋式翅片的壓力損失的增加幅度小于翅片空氣側(cè)對流換熱系數(shù)的增加幅度，綜合評價得出在相同泵功下橋式翅片的傳熱性能比平直翅片高出約50.3%.

u/(m·s-1)

5 結(jié) 論

1)實驗測試了橋式翅片換熱器的傳熱性能和阻力性能，得出了該類型翅片換熱器的傳熱和阻力性能關(guān)聯(lián)式.

2)與平直翅片實驗結(jié)果對比，橋式翅片換熱器的換熱性能更優(yōu)，在風(fēng)阻系數(shù)增加25%的情況下，平均傳熱系數(shù)高出約52%.

3)通過數(shù)值模擬，得出了相同尺寸的橋式和平直翅片計算單元區(qū)域的溫度場和速度場分布情況，及流動方向上對流換熱系數(shù)沿程變化曲線和不同迎面風(fēng)速下的壓力損失及協(xié)同角的變化曲線.并用場協(xié)同原理對仿真結(jié)果進(jìn)行分析，分析結(jié)果表明翅片橋式布置能有效改善翅片溫度場和速度場的協(xié)同性，因而相同泵功下大幅度增加了翅片的傳熱性能.

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Experimental and Numerical Study on Heat Transfer and Fluid Flow Characteristics of Bridge-type Finned Tube Heat Transfer Surfaces

JIA Run-ze， WANG Yi-chun?， YU Zhi-yi， RONG Jun

(School of Mechanical Engineering，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China)

Air side heat transfer and fluid flow characteristics of designed heat exchanger with bridge type fin were studied experimentally. The heat transfer and friction factor correlations were obtained in the experimental range of Reynolds number by processing a large number of experimental data. The experimental result shows that the heat exchanger with bridge type fin has greater heat transfer performance than the straight-fin heat exchanger under the same pump. At the same time， the air-side temperature and velocity field of these two kind fins were simulated by numerical method， and the results were analyzed by the field synergy theory， which shows that the heat transfer enhancement of bridge-type fins is caused by the improvement of the synergy between the velocity field and the temperature gradient.

bridge type fin; heat exchanger; experimental study; numerical simulation; filed synergy

1674-2974(2015)02-0087-06

2014-06-10

廣東省產(chǎn)學(xué)研結(jié)合項目(004343112202180850)

賈潤澤(1986-)，男，河南信陽人，北京理工大學(xué)博士研究生?通訊聯(lián)系人，E-mail:wych@bit.edu.cn

TM925.12

A