開槽對(duì)翅片換熱器換熱性能影響的數(shù)值模擬

張美鳳，賈世勛，何雪鴻

(1.煙臺(tái)龍?jiān)措娏夹g(shù)股份有限公司，山東煙臺(tái) 264000;2.石家莊良村熱電有限公司，石家莊 052165)

換熱器作為必不可少的換熱設(shè)備被廣泛用于石油、化工、電力、制冷、供暖等行業(yè)[1-3]。在部分換熱器中，換熱器一側(cè)是液體，另一側(cè)是氣體，而氣側(cè)的傳熱阻力往往遠(yuǎn)大于液側(cè)的傳熱阻力，因此降低氣側(cè)熱阻成為了強(qiáng)化換熱器換熱能力的關(guān)鍵[4]。在氣側(cè)加裝翅片可以增大氣側(cè)的換熱面積，有效降低氣側(cè)熱阻。因此，在工程中，往往會(huì)對(duì)翅片進(jìn)行開槽處理，以增大換熱器的換熱量。

目前關(guān)于開槽翅片的數(shù)值模擬較少，對(duì)于開槽翅片的尺寸和結(jié)構(gòu)優(yōu)化缺乏一定的理論依據(jù)。筆者采用FLUENT軟件對(duì)無(wú)縫翅片和開槽翅片進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過分析速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、換熱量和壓差等分析了開槽翅片強(qiáng)化換熱的原因，為翅片換熱的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了理論依據(jù)[2]。

1 計(jì)算模型

1.1 物理模型

筆者針對(duì)無(wú)縫翅片和開槽翅片進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，翅片選用四排管，開槽方式為同向均勻開槽。圖1為翅片管束的示意圖，表1為兩種翅片的結(jié)構(gòu)參數(shù)。沿管長(zhǎng)方向的翅片結(jié)構(gòu)尺寸和翅片間距是一樣的，因此在物理建模時(shí)只需對(duì)單個(gè)翅片進(jìn)行建模。沿橫向管間距方向，由于翅片是對(duì)稱的，因此可以只取半個(gè)翅片。為了使翅片入口處空氣流場(chǎng)均勻，入口段延長(zhǎng)了300 mm；為了消除出口的空氣回流，出口段延長(zhǎng)了300 mm。由于水側(cè)傳熱系數(shù)較高，且管壁導(dǎo)熱率很大，因此假定管壁溫度Tw=310.85 K。而翅片的溫度分布則取決于管壁溫度和空氣溫度，屬于耦合換熱，因此翅片的邊界條件應(yīng)設(shè)置為耦合邊界條件?？諝獾娜肟谒俣葹?.5 ～4.0 m/s，溫度恒定為289.15 K。由于流場(chǎng)和溫度場(chǎng)不會(huì)變化，因此計(jì)算的出口邊界設(shè)置為Outflow。

圖1 翅片管束示意圖

表1 翅片管束結(jié)構(gòu)參數(shù) mm

1.2 控制方程和計(jì)算方法

三維、穩(wěn)態(tài)、常物性對(duì)流換熱控制方程可以表示為連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程。

連續(xù)性方程：

(1)

動(dòng)量方程：

(2)

能量方程：

(3)

式中:ρ為流體的密度；u為流體的速度；μ為流體的動(dòng)力黏度；p為流場(chǎng)的壓力；T為流場(chǎng)的溫度；λ為流體的導(dǎo)熱系數(shù)；cp為流體的比定壓熱容；i,k分別表示X，Z方向的組分。

筆者所采用的湍流模型為Realizablek-ε，用于翅片間空氣流場(chǎng)的計(jì)算。相比于Standardk-ε模型，前者采用了新的湍流黏度表達(dá)式，同時(shí)湍流耗散率是通過真實(shí)輸運(yùn)方程推導(dǎo)出來(lái)的，在計(jì)算存在流體回流以及邊界層分離的湍流問題時(shí)結(jié)果更加可靠。方程組的離散采用了二階迎風(fēng)格式，相比于一階迎風(fēng)格式有著更高的求解精度。采用SIMPLE算法實(shí)現(xiàn)速度和壓力的耦合求解。FLUENT軟件的求解過程中，設(shè)定能量方程殘差低于10-8，其他方程殘差低于10-4。忽略了空氣的浮升力和輻射換熱。

1.3 參數(shù)定義

筆者所用無(wú)因次參數(shù)定義如下：

(4)

(5)

摩擦因數(shù)f用以描述空氣的壓降特性，可定義為：

(6)

式中：Δp為空氣通過整個(gè)翅片管束的壓降；L為翅片管束的長(zhǎng)度；D為換熱管的外徑。

2 結(jié)果和分析

2.1 換熱量分析

圖2是翅片管壁換熱量隨入口空氣速度的變化關(guān)系。

圖2 換熱量隨入口空氣速度的變化

從圖2可以看出：對(duì)于兩種翅片，隨著入口空氣速度的增大，翅片管換熱量也隨之增大。對(duì)于開槽翅片，入口空氣速度越大，換熱量增長(zhǎng)幅度越小。這是由于空氣速度較大時(shí)，空氣與翅片以及管壁的邊界層會(huì)變薄，降低近壁處的導(dǎo)熱熱阻；此外，較大的空氣速度能夠使得翅片附近的空氣溫度不會(huì)太高，增大了空氣和翅片之間的溫差，進(jìn)一步增大了換熱量。隨著空氣速度增大，邊界層的變薄程度會(huì)降低，同時(shí)空氣和翅片間溫差的增大程度也會(huì)降低，使得換熱量隨空氣速度增加而增加的幅度變小。

圖3是努塞爾數(shù)隨雷諾數(shù)的變化關(guān)系。

圖3 努塞爾數(shù)隨雷諾數(shù)的變化

由圖3可以看出：和換熱量變化趨勢(shì)類似，Nu隨著Re升高而增大，相同Re下開槽翅片的Nu明顯高于不開槽翅片的。這是由于開槽能周期性地破壞流場(chǎng)的均勻性，會(huì)打破并重塑溫度邊界層，增大了流場(chǎng)中的紊流度，進(jìn)而加強(qiáng)了換熱。

為了更好地說(shuō)明開槽對(duì)翅片管束換熱性能的影響，圖4和圖5給出了兩種翅片的溫度云圖。從圖4和圖5可以看出：整個(gè)翅片的溫度分布并不均勻，沿著空氣流動(dòng)方向，翅片溫度逐漸升高。這是由于隨著空氣流動(dòng)，其吸熱量越來(lái)越多，因而溫度越高，與翅片表面的換熱量逐漸減少。翅片管附近溫度最高，離翅片管越遠(yuǎn)溫度越低。在管束后面有個(gè)區(qū)域的翅片溫度較高，這是由于空氣沖刷管束后，會(huì)在管束后面形成一個(gè)尾流區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)空氣流速較小，換熱也較低，因而翅片溫度較高。當(dāng)翅片開槽后，由于開槽對(duì)邊界層的破壞和重塑，使得翅片的換熱量增大，換熱更加均勻。因此，開槽翅片的溫度場(chǎng)分布相對(duì)于不開槽翅片會(huì)更均勻。

圖4 不開槽翅片的換熱特性

圖5 開槽翅片的換熱特性

2.2 流動(dòng)特性分析

對(duì)于翅片管束，由于管束排列和翅片的影響，會(huì)使得管束間的流場(chǎng)較為復(fù)雜。

圖6為兩種翅片的壓降隨入口空氣速度的變化關(guān)系，圖7為兩種翅片的摩擦因數(shù)隨雷諾數(shù)的變化關(guān)系。從圖6中可以看出：隨著入口空氣速度增大，兩種翅片的進(jìn)出口壓差也越大。入口空氣速度較低時(shí)，兩種翅片的進(jìn)出口壓差相差不大，這是由于低流速時(shí)，空氣流過開槽翅片時(shí)流場(chǎng)和速度邊界層被破壞得較小，邊界層空氣和主流區(qū)空氣混合較少，沒有較多的渦流、紊流等形成，使得壓力損失和不開槽翅片相差不大。當(dāng)入口空氣速度增大時(shí)，開槽翅片管間的空氣擾動(dòng)會(huì)更加強(qiáng)烈，因而會(huì)形成更多的紊流、渦流等，最終使得開槽翅片有著更大的壓力損失。

圖6 壓降隨入口空氣速度的變化

圖7 摩擦因數(shù)隨雷諾數(shù)的變化

圖8和圖9為兩種翅片在入口空氣速度為3 m/s時(shí)的壓力云圖。從圖8和圖9可以看出：沿著空氣流動(dòng)方向，空氣的壓力損失逐漸增大，在空氣流經(jīng)管壁前后，有著較大的壓降產(chǎn)生，這是由于空氣流經(jīng)管壁時(shí)遇到較大的阻力并產(chǎn)生擾流造成的。對(duì)比圖8和圖9可以明顯看出：開槽翅片的壓降明顯高于不開槽翅片，沿著空氣流動(dòng)方向，開槽翅片壓力下降速度更為明顯。開槽使空氣流動(dòng)產(chǎn)生了較大的阻滯和擾動(dòng)。

圖8 不開槽翅片的壓力云圖

圖9 開槽翅片的壓力云圖

2.3 綜合性能分析

翅片管換熱能力增強(qiáng)往往伴隨著壓力的損失，當(dāng)想要保證入口空氣速度不變時(shí)往往需要給空氣更多的動(dòng)力，這會(huì)消耗更多的能量，因此需要一個(gè)能夠綜合考慮換熱和壓力損失的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。筆者采用了綜合性能指數(shù)(PEC)來(lái)描述翅片管換熱器的綜合性能[5]。PEC越大表明翅片管的整體換熱性能越好。

PEC=Nu/f1/3

(7)

圖10是不同入口空氣速度下開槽翅片和不開槽翅片的PEC。

圖10 兩種翅片的綜合性能指數(shù)

從圖10可以看出：在入口空氣速度為0.5～4.0 m/s時(shí)，開槽翅片的PEC比不開槽翅片的高了4.33～10.77。顯然，開槽翅片的綜合性能明顯好于不開槽翅片的，也就是換熱量增加的影響要大于壓降增加的影響。隨著入口空氣速度的增加，開槽翅片的PEC比不開槽翅片增加程度也越高，說(shuō)明入口空氣速度越高，開槽翅片的綜合換熱性能越好。入口空氣速度越高，開槽對(duì)空氣的擾動(dòng)效果越明顯，換熱量增加也越多，而壓力損失的增大相對(duì)沒那么明顯，因而在高空氣流速下開槽翅片有著更好的換熱性能。

3 結(jié)語(yǔ)

筆者通過FLUENT軟件對(duì)開槽翅片和不開槽翅片進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，研究了不同入口空氣速度下兩種翅片的換熱性能，通過分析溫度場(chǎng)、換熱量、壓力場(chǎng)、壓降等對(duì)兩種翅片的換熱性能進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明：隨著入口空氣速度的增大，兩種翅片管的換熱量均會(huì)增大；相同入口空氣速度下開槽翅片管的換熱量要明顯高于不開槽翅片管的換熱量。開槽翅片管的溫度分布比不開槽翅片管的更加均勻。隨著入口空氣速度增大，兩種翅片管的壓降也會(huì)隨之增大，相同入口空氣速度下開槽翅片管有著更大的壓力損失。這是由于開槽對(duì)空氣造成了阻礙和擾動(dòng)。開槽翅片管的PEC要明顯高于不開槽翅片管，說(shuō)明開槽翅片管有著更好的整體換熱性能。