李洪江 姜紅軍

摘? 要：文章以數(shù)值模擬方法定量分析對(duì)螺旋翅片管開齒的影響。計(jì)算結(jié)果表明開齒螺旋翅片管的確在換熱系數(shù)上具有優(yōu)勢(shì)，但為了保證這種優(yōu)勢(shì)，參數(shù)的優(yōu)化很重要。

關(guān)鍵詞：換熱系數(shù);參數(shù)優(yōu)化;研究

中圖分類號(hào)：TK223? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）16-0169-03

Abstract： A 3-dimensional model is simulated for slot-helix finned tube heat exchanger. Compared with the helix finned， the heat transfer is enhanced. But an optimization is needed to maintain this advantage.

Keywords： heat-transfer; optimization; research

引言

開齒螺旋翅片管在各種換熱器中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，但因?yàn)槠溟_齒形式多種多樣，換熱系數(shù)和阻力的計(jì)算暫無(wú)統(tǒng)一的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。由于模型復(fù)雜，數(shù)值模擬存在不小的難度，通常用實(shí)驗(yàn)的方法估計(jì)其換熱系數(shù)和阻力系數(shù)[1][2]。本文嘗試用數(shù)值模擬方法計(jì)算翅片換熱量和阻力的可行性，通過對(duì)單根螺旋翅片管的模擬來(lái)確定開齒的定量影響。計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[1]的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較，可得到開齒螺旋翅片管設(shè)計(jì)的原則。

1 數(shù)學(xué)物理模型

開齒螺旋翅片管模擬的難點(diǎn)有兩個(gè)：首先是開齒部位的處理，這是堪與邊界層高度相比的微細(xì)結(jié)構(gòu)，對(duì)流動(dòng)結(jié)構(gòu)、流量又非常重要，在該處必須添加邊界層;其次是翅片節(jié)距，在工廠中也取的很小，它確定了體網(wǎng)格也必須足夠細(xì)密，以滿足間隙內(nèi)的網(wǎng)格數(shù)量要求。

用ICEM CFD劃分網(wǎng)格如圖 2，添加邊界層網(wǎng)格以后導(dǎo)入fluent計(jì)算。用3個(gè)節(jié)距的翅片，為了避免在邊界處出現(xiàn)狹長(zhǎng)薄層，管長(zhǎng)略長(zhǎng)于3個(gè)節(jié)距。左邊為入口，右邊為出口，各個(gè)側(cè)面為對(duì)稱邊界條件。翅片材料設(shè)定為壁溫300k的鋁，進(jìn)口邊界是流量11kg/（m2·s）的900k空氣。

2 模型與網(wǎng)格

該模型的難點(diǎn)在于復(fù)雜邊界給邊界層網(wǎng)格劃分帶來(lái)困擾。從計(jì)算壁面換熱的要求來(lái)看，第一層網(wǎng)格的y+應(yīng)該在20左右。但模型中壁面各處流速差異太大，相應(yīng)的y+也有極大變化范圍。應(yīng)此，適應(yīng)壁面各處的統(tǒng)一邊界層網(wǎng)格高度并不存在。

本文通過網(wǎng)格理論和試運(yùn)算，確定邊界層網(wǎng)格高度的下限為0.2mm，邊界層低于該數(shù)值的話，計(jì)算結(jié)果迅速增大到與實(shí)際完全不符的量級(jí)。根據(jù)網(wǎng)格劃分的一般性規(guī)律，確定上限為0.33mm。最后確定所有模型統(tǒng)一取0.3mm高度的第一層網(wǎng)格。從而在無(wú)法完全排除網(wǎng)格相關(guān)性的情況下求得可相互比較的模擬結(jié)果。

由于氣體的流速在壁面函數(shù)中很重要，采用理想氣體模型。由于各方向尺度懸殊以及流場(chǎng)和邊界的特點(diǎn)，采用RNG湍流模型，其余未提及的氣體參數(shù)和模型均為Fluent默認(rèn)設(shè)置。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

中間截面上的溫度場(chǎng)可以顯示出翅片對(duì)流體溫度分布的總體影響，不同翅片附近溫度場(chǎng)的差異，更是換熱效率差異的原因。

3.1 不開齒螺旋翅片管

首先需對(duì)螺旋翅片管經(jīng)行模擬和計(jì)算，作為評(píng)估開齒效果的基準(zhǔn)。

空氣對(duì)3個(gè)節(jié)距翅片的換熱量為631.6w，翅片的平均換熱系數(shù)為53.34w/m2。翅片對(duì)氣流的阻力為0.0981N。

3.2 開齒螺旋翅片管

開齒以后，流動(dòng)死區(qū)大大減小，雖然相比普通螺旋翅片管減小了翅片面積，但有效換熱面積反而增大了。另一方面，由于開齒破環(huán)了連續(xù)的附面層，也增大了翅片附近氣流的平均速度，從而增強(qiáng)換熱。

3.3 槽深的影響

夾角和頂端半徑的大小都實(shí)際影響到槽寬度大小，由這兩個(gè)表可見：槽的寬度，對(duì)翅片換熱的影響是決定性的。槽越寬，翅片傳熱能力越弱。寬度過大時(shí)，翅片的傳熱能力甚至不如普通螺旋翅片管。這同樣意味著開齒數(shù)目的增加，可大幅改善螺旋翅片管的傳熱能力。

槽寬度對(duì)流動(dòng)阻力的影響沒有深度那么大，但其規(guī)律性明顯且與上一小節(jié)相同：寬槽會(huì)帶來(lái)更大的流動(dòng)阻力。按照通常的開齒螺旋翅片管制造方式，槽寬度與開齒數(shù)目是密切相關(guān)的。這帶來(lái)一個(gè)疑問：實(shí)際制造中，增加開齒數(shù)目，槽寬會(huì)變小。槽數(shù)增加會(huì)使阻力增大，而槽寬變小會(huì)讓阻力降低，這兩種對(duì)阻力相反的影響因素最終導(dǎo)致什么結(jié)果，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以回答這個(gè)問題。

鑒于本文的模型開齒數(shù)目不多，相對(duì)于開齒數(shù)目很多（每節(jié)距35～45個(gè)槽）的實(shí)用型開齒螺旋翅片管，Nu數(shù)的比值要低一些，這證實(shí)了上一節(jié)的結(jié)論，因?yàn)殚_齒數(shù)的增加和槽寬度的減小都會(huì)增強(qiáng)傳熱效率。

本文計(jì)算的Eu數(shù)比值偏大，這意味著：增加開齒數(shù)的情況下，槽寬和槽夾角的減小對(duì)阻力起到了決定性的作用，導(dǎo)致阻力降低。

因此，開齒螺旋翅片管的制造當(dāng)中，在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度允許的情況下，開齒數(shù)越多，傳熱效率越高，阻力反而越低。

4 結(jié)論

開齒螺旋翅片管具有換熱系數(shù)大的優(yōu)點(diǎn)，可有效降低換熱器重量。但槽的參數(shù)對(duì)換熱系數(shù)具有重要影響，換熱效率隨著槽寬度的增大而顯著減小，如果槽的平均寬度過大的話，該開齒螺旋翅片管換熱效率甚至不如普通的不開齒螺旋翅片管。

不改變槽的平均寬度，槽深越小，換熱速率越低，但在一定范圍內(nèi)調(diào)整槽的深度，翅片換熱效率變化不明顯，只是槽深過小時(shí)，翅片換熱效率下降很快。

槽的寬度越大，流動(dòng)阻力越大;槽的深度越大，流動(dòng)阻力越大。

如何選取復(fù)雜壁面的邊界層，決定了壁面換熱問題的計(jì)算準(zhǔn)確度。而這個(gè)領(lǐng)域的研究暫時(shí)還不能給工程問題提供簡(jiǎn)單易行的解決方案。本文的計(jì)算僅表明，經(jīng)過大量試運(yùn)算，可以用數(shù)值模擬對(duì)開齒參數(shù)給出有價(jià)值的指導(dǎo)意見，也能對(duì)不同方案進(jìn)行比較和篩選。

與實(shí)驗(yàn)值結(jié)合，我們可以得出開齒螺旋翅片管的制造原則：開盡可能多的槽，增強(qiáng)換熱效率并降低阻力;槽深不須過大，但不能太淺。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉雪玲，李寧，胡亞才.開齒螺旋翅片管換熱器傳熱與流阻性能研究[J].石油化工設(shè)備，2004，2：1-3.

[2]王真勇，張正國(guó)，高學(xué)農(nóng).螺旋折流板三維肋翅片管換熱器的傳熱性能研究[J].廣東化工，2008，7：153-170.