橋式翅片流動(dòng)和傳熱性能的實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬

賈潤(rùn)澤等

摘要：對(duì)設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)研究，將大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了線性回歸，得出了在實(shí)驗(yàn)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(duì)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(shí)，對(duì)以上兩種翅片空氣側(cè)的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，并利用場(chǎng)協(xié)同原理對(duì)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(chǎng)和速度場(chǎng)的協(xié)同性.

關(guān)鍵詞：橋式翅片；換熱器；實(shí)驗(yàn)研究；數(shù)值模擬；場(chǎng)協(xié)同

中圖分類號(hào)：TM925.12 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

多年來(lái)，人們對(duì)散熱器翅片強(qiáng)化傳熱開(kāi)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(kāi)縫就是其中一種[1].這是因?yàn)樵诔崞祥_(kāi)縫可以破壞邊界層的生長(zhǎng)，從而抑制傳熱系數(shù)沿流動(dòng)方向上的降低.同時(shí)將翅片的開(kāi)縫位置加工成拱橋狀，形成所謂的橋式開(kāi)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(dòng)，這樣有可能會(huì)進(jìn)一步提高開(kāi)縫翅片空氣側(cè)的傳熱性能，但同時(shí)也會(huì)帶來(lái)負(fù)面效應(yīng)，比如增大空氣阻力，增加功率消耗等.

目前對(duì)于開(kāi)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(duì)2排X型雙向開(kāi)縫翅片進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和模擬計(jì)算，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與同尺寸的單向開(kāi)縫翅片和平直翅片進(jìn)行了比較，研究結(jié)果表明開(kāi)縫翅片的傳熱性能遠(yuǎn)高于平直翅片，且X型的雙向開(kāi)縫翅片的性能要好于單向開(kāi)縫翅片.Yun J Y等[7]的研究顯示翅片節(jié)距、開(kāi)縫翅片的縫寬、縫長(zhǎng)、縫高、開(kāi)縫數(shù)及縫的分布等都不同程度地影響其流動(dòng)和傳熱性能.屈治國(guó)等[8]在對(duì)平直開(kāi)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(chǎng)協(xié)同理論對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分析，計(jì)算結(jié)果顯示在速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)協(xié)同比較差的區(qū)域開(kāi)縫要比在場(chǎng)協(xié)同比較好的區(qū)域開(kāi)縫對(duì)傳熱強(qiáng)化更有效.綜合上面分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)開(kāi)縫翅片的已有研究主要集中在純開(kāi)縫形式的翅片上，而對(duì)于橋式開(kāi)縫翅片的流動(dòng)及傳熱特性的研究還有待進(jìn)一步的開(kāi)展.

本文采用實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬的方法，對(duì)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(chǎng)協(xié)同理論對(duì)計(jì)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(jì)提供了依據(jù).

1實(shí)驗(yàn)裝置及元件參數(shù)

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

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)控制恒溫水浴出口閥門的開(kāi)度來(lái)控制流經(jīng)換熱器的水量，翅片側(cè)空氣的流量則通過(guò)改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速（2 000～5 200 r/min ，每隔400 r/min 取一個(gè)轉(zhuǎn)速）來(lái)加以控制，因此測(cè)試共有9個(gè)工況點(diǎn).為提高測(cè)量的準(zhǔn)確性，每次測(cè)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(diǎn)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(jì)和熱阻式溫度傳感器兩種方式進(jìn)行測(cè)量.在空氣側(cè)，空氣的流量采用畢托管配傾斜式微壓計(jì)進(jìn)行測(cè)量計(jì)算，同時(shí)，在換熱器前后的風(fēng)管上設(shè)置靜壓測(cè)嘴測(cè)量空氣通過(guò)換熱器的流通壓降.在水側(cè)，通過(guò)恒溫水浴加熱使換熱器的入口水溫穩(wěn)定在60 ℃，同時(shí)在換熱器進(jìn)出口處設(shè)置壓力表對(duì)熱水通過(guò)換熱器的前后的壓降進(jìn)行測(cè)量.為保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，水流量的測(cè)量采用稱重法.

2實(shí)驗(yàn)誤差分析及數(shù)據(jù)整理

實(shí)驗(yàn)測(cè)試前為驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)臺(tái)的準(zhǔn)確性，用光管進(jìn)行了阻力和傳熱特性實(shí)驗(yàn)，所得的實(shí)驗(yàn)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SiederTate 公式計(jì)算式Nu=0.027Re 0.8Pr 1/3（μ/μw）0.14的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果最大偏差均控制在±6%以內(nèi)，表明本實(shí)驗(yàn)臺(tái)具有足夠的精確度.

實(shí)驗(yàn)時(shí)管外翅片側(cè)為空氣強(qiáng)制對(duì)流換熱，管內(nèi)側(cè)為熱水與管內(nèi)壁的強(qiáng)制對(duì)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(duì)流換熱系數(shù)表達(dá)式如下：

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用最小二乘法對(duì)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式如下：

傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式為：Nu=6.173Re 0.324 4， 適用范圍為1.59×102< Re<8.2×102 ，最大擬合偏差±1.94%.

氣側(cè)阻力系數(shù)關(guān)聯(lián)式為：f=0.289 5Re 0.192 5，適用范圍為1.59×102< Re<8.2×102 ，最大擬合偏差 ±3.51%.

平直翅片管和橋式翅片管的傳熱和阻力特性試驗(yàn)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(duì)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(duì)流換熱能力高于平直翅片，但風(fēng)阻系數(shù)也略高.在實(shí)驗(yàn)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(guò)比較可知，橋式翅片是一種有效強(qiáng)化空氣的傳熱方式.

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(duì)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(duì)稱性，因此可以取相鄰翅片間的對(duì)稱區(qū)域?yàn)橛?jì)算單元，如圖4所示.利用三維造型軟件solidworks建立的實(shí)體模型導(dǎo)入Gambit進(jìn)行網(wǎng)格劃分，Gambit中實(shí)體建立遵循點(diǎn)—線—面—體的關(guān)系，通過(guò)此順序?qū)A層空間建立實(shí)體，根據(jù)流道空間形狀，將實(shí)體劃分為六面體網(wǎng)格，有利于計(jì)算、收斂和提高精度.該計(jì)算模型為三維穩(wěn)態(tài)層流不可壓縮流動(dòng)，因此算法采用simple算法，模型選用laminar.在計(jì)算區(qū)域的選取上，沿流動(dòng)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velocityinlet，出口邊界為pressureoutlet，流場(chǎng)的四周邊界設(shè)

為symmetry，圓管與流場(chǎng)和翅片的交界面設(shè)為wall.計(jì)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(dòng)和翅片管導(dǎo)熱的影響，需要計(jì)算確定，因而這是一個(gè)對(duì)流與導(dǎo)熱的耦合問(wèn)題，對(duì)此問(wèn)題的邊界條件處理方法可參見(jiàn)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(jì)算結(jié)果與臺(tái)架實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比

橋式翅片管通過(guò)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(shì)上看，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果在總體上保持一致，翅片側(cè)的對(duì)流換熱系數(shù)在實(shí)驗(yàn)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(gè)分水嶺，當(dāng)u0>0.8 m/s時(shí)，實(shí)驗(yàn)值高于計(jì)算值，當(dāng)迎面風(fēng)速u0<0.8 m/s時(shí)，實(shí)驗(yàn)值低于計(jì)算值；最大誤差出現(xiàn)在u0=2.2 m/s時(shí)，誤差為9.8%，說(shuō)明數(shù)值計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合良好.

4.3數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

本文同時(shí)對(duì)橋式翅片和相同尺寸的平直翅片進(jìn)行了數(shù)值模擬，計(jì)算得到的翅片單元溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)如圖6，圖7所示.沿流動(dòng)方向上對(duì)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.

從圖6，圖7可以清楚地看到，翅片形式設(shè)計(jì)成橋式后使得邊界層在翅片臺(tái)階處被破壞，有效地減薄了厚度，因而對(duì)流傳熱顯著強(qiáng)化.還可以從場(chǎng)協(xié)同理論[10]得到進(jìn)一步理解，場(chǎng)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(chǎng)和溫度梯度的夾角變?。刺岣邎?chǎng)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(shí)，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(duì)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(jì)算公式[11]：

由上式計(jì)算得到的沿流場(chǎng)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(gè)流場(chǎng)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(shì).因此可以看出，橋式翅片相對(duì)于平直翅片具有更好的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)的協(xié)同性，這也是圖8中橋式翅片空氣側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)沿流動(dòng)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(dòng)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0.6～2.8 m/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(duì)流換熱系數(shù)的增加幅度，綜合評(píng)價(jià)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%.

5結(jié)論

1）實(shí)驗(yàn)測(cè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)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(guò)數(shù)值模擬，得出了相同尺寸的橋式和平直翅片計(jì)算單元區(qū)域的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)分布情況，及流動(dòng)方向上對(duì)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(chǎng)協(xié)同原理對(duì)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(chǎng)和速度場(chǎng)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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