西安石油大学本科毕业设计论文
波纹翅片的传热与流动特性研究
摘要；近些年来能源与环境问题日益加剧,保护环境、降低能源消耗成为当今世界的主题,因此各行业的学者都肩负减少能耗的重任。板翅式换热器是在20世纪问世的, 由于其在节省能源与材料方面的优越性，如今在石油化工、能源动力、冶金、制冷、航天等各领域已经获得了广泛的应用。翅片管换热器在制冷、空调等领域广泛应用。波纹翅片是这种紧凑式换热器的翅片类型中的一种, 它增加了传热面积和扰流的程度，对换热器的性能有很大的提升。
本文应用FLUENT软件针对波纹翅片管换热器空气侧换热进行数值模拟。并研究Re数、管排数和管径等参数对空气侧传热和流动特性的影响。同时对不同尺寸的波纹翅片进行了数值模拟分析并计算出各个模型的换热因子 j 和阻力因子f，根据他们的数值判断翅片在该模型下的性能优略。最后考察了波纹形式、管排、翅片间距、波峰到波谷投射长度和波峰到波谷高度对流动换热性能的影响。
关键词： 波纹翅片； 数值模拟 ；换热因子； 阻力因子；换热性能
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study on heat transfer and flow of wavy fins
Abstract；In recent years, energy and environmental issues increase, protecting the environment and reducing energy consumption are the themes of the present world.Plate-fin heat exchanger appears in the 20th century ，because of its superiority in terms of saving energy and materials. Now it is used widely in various fields such as petrochemical, Energy and Power, metallurgy, Refrigeration, aerospace,because of its superiority in the saving of energy and materials. Scholars in various industries have to shoulder the heavy task of reducing energy consumption. Fin-and-tube heat exchanger is widely used in refrigeration, air conditioning .The wavy fin is one of fin types on this compact heat exchanger. It increases the heat transfer area and the degree of spoiler, and improves the performance of the heat exchanger greatly.
In this paper, FLUENT is used to simulate the wavy fin-and-tube heat exchanger, . Based on these results, the effects of Reynolds number, tube row number, tube diameter and other parameters on air side heat transfer and flow characteristics are studied. At the same time, I have carried out the numerical simulation analysis on different geometric dimensions of the wavy fins,I calculated the heat transfer factor j and resistance factor f of each model. According to their value we can judge the performance of that model. Finally, examine the corrugated form of tube rows, fin spacing, the projected length of the crest to trough and crest to trough height effects on flow and heat transfer performance.
Keywords；wavy fins；numerical simulation；heat transfer factor； resistance factor；heat transfer performance
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目 录
第一章 绪 论…………………………………………………………………………1 1.1 课题研究背景及意义…………………………………………………………1
1.2 波纹翅片的特点和应用场合…………………………………………………2 1.3 研究现状………………………………………………………………………2 1.4 本文的研究工作………………………………………………………………7 第二章 数值模型的建立与计算方法…………………………………………………8 2.1 概论……………………………………………………………………………8 2.2 波纹翅片管换热器物理模型立………………………………………………8 2.3 相关参数的确定………………………………………………………………9 2.4 物理模型的边界条件及初始条件 …………………………………………10 2.5 利用数值计算方法简介 ……………………………………………………11 2.6 CFD简介 ……………………………………………………………………13 2.7 fluent软件概述及GABBIT简介……………………………………………14 2.8 翅片管强化传热的数值解法 ………………………………………………16 第三章 数值计算的结果与数据分析 ………………………………………………19 3.1 光滑波纹翅片管翅式换热器 ………………………………………………19
3.2 6排管光滑波纹翅片管翅式换热器数值计算………………………………20 3.3 几何参数对波纹翅片管翅式换热器的换热阻力性能的影响 ……………24 总 结…………………………………………………………………………………31 参考文献…………………………………………………………………………………31 致 谢…………………………………………………………………………………34
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第一章 绪 论
1.1课题背景及研究意义
板翅式换热器是在20世纪问世的,由于其在节省能源与材料方面的优越性以及具有体积小，重量轻、效率高等突出优点，如今在石油化工、能源动力、冶金、制冷、航空航天、原子能和机械等各领域已经获得了广泛的应用。并在利用热能、回收余热、 节约原料、降低成本以及一些特殊用途上取得了显著的经济效益．板翅式换热器的性 能主要取决于翅片表面的传热与流动特性。波纹翅片是板翅式紧凑换热器中的一种常 见的翅片类型,它在增加传热面积和加强扰流方面有很好的表现。
换热器在动力、能源、化工等工业领域中具有重要的地位。统计显示,在现代化学工业中,换热器投资金额占设备投资的30%,炼油厂占40%[1]左右,海水淡化设备中占比例更高。因此,换热器的换热性能与公业业发展关系密切。由于工业领域对换热器设备的不断需求与目前世界范围内能源紧缺之间的矛盾不断恶化,使强化传热技术在工业领域起着重大的作用。它在上世纪八十年代发展起来,到目前为止,世界各国都在深化传热技术上不断深入研究。其标是达到在最节省能源的前提下获得较多的能量，保障设备的有效运行。所以,强化换热技术已经成为当今科学领域中的研究热点。
翅片管的优点:
(1)结构紧凑。由于单位体枳传热而加大,传热能力增大,同样热负荷下与光管相比,翅片管换热器管子少,因面结构紧凑,便于布置。
(2)传热能力强。与光管相比，传热面积增大2-30倍，传热系数提高。 (3)有效合理利用材料。可以利用不同材料的特性，自由选用材料。
(4)减少结垢。传热左比光管小,便于减轻管外表面结垢。另外，'翅片管受热冷却后,翅片根部垢层断裂，自行脱落。
翅片管的缺点:
造价高,流动阻力大。因此应适当选择造型,降低能量消耗。
本文主要研究的翅片管换热器,它在动力、制冷、空调等工业领域广泛采用。制冷剂或水在管内流动,管外翅片间通道内流过空气,通过翅片、管壁与管内的制冷剂或水进行热量交换。由于空气的导热系数相对较小,故翅片管换热器的主要热阻位于空气侧,因此,强化空气侧换热效果是提高换热器总体换热性能的有效手段。
1.2波纹翅片的特点和应用场合
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1.2.1 波纹翅片的特点
波纹翅片的纵向呈波纹状,流体在其中流动时，流向就会不断地改变以促进湍流形成,波峰和波谷处的边界层可有微小破裂.这样由于不断改变的流向而产生二次流及边界层分离，达到增强传热效果的目的。波纹越密，波幅越大，其增强效果也越大。但同时带来的问题是流动阻力也会很大，对材料的强度是一个挑战，所以不能无限制地增大波幅和波纹密度，应该使二者都尽量合适才是最好的。另一方面，波纹翅片相比平直翅片来说，换热面积也增大了不少，这也是它增强换热的一个原因。但是材料消耗比平直翅片大，不过跟它带来的换热效果相比，这点消耗也是相当值得的。 1.2.2 波纹翅片的应用场合
和平直翅片相比, 波纹翅片的具有更好的换热性能和流动特性，因此波纹翅片在各类强化换热场合中的应用比较广泛, 也是研究关注的热点之一。波纹翅片最主要的用途是用于板翅式换热器，可以增强换热器换热效果。
1.3研究现状
1.3.1国外实验及模拟研究进展
1973年,Rich[2]实验研究14种不同结构平翅片,结果表明,在其研究范文内，,翅片间距不影响传热效率,单根管子的压降和管排数无关。1974年,Saboya[3]等首次在复杂的单排平翅片管换热器的翅片侧利用实验定量计算局部传热系数,总结出翅片表面局部Sh数的分布;得出翅片管上游的局部换热系数较高,下游的局部换热系数较低。1978年,McQuiston[4]得出特定结构参数下的翅片换热及压降关联式。而后Xu[5]模拟研究空调单元中蒸发器的湍流流动。利用热线风速仪技术得到平均速度值和流动的湍流参数,由于凝结物的影响,实验结果会有流动干扰;运用U-e瑞流模型榄拟空调单元空气流动，得到的结架十分准确,再加上QUICK方法得到的平均速度提供了更加准确的结果。另外,混合网格能快速达到收敛,并很好与实验结架达到一致。1995年,Bakui等[6]利用有限体积法模拟横内的导热、对流和福射换热。虽然福射换热总换热量的30%,但不考虑福射换热但不会影响结果的精确度。1996年,Rammohan Rao等[7]实验研究水平翅片自然对流和福射换热的关系。借助干涉仪和数侦微分方获得对流换热量和福射换热量，并得到Nu和Re的关联式。1998年,Abumadi等[8]人提出前人得到的换热及压降关联式对结构参数耍求过十局限,对28种不同结构参数的翅片管换热器进行实验,风速范围内为l-20m/s,分析管排数、翅片的厚度、翅片间距以及管排间距等参数对换热因子与摩擦因子的影响。实验表明:翅片类型影响换热因子和摩擦因子,管排数对阻力系数几乎无影响;翅片厚度越小,传热性能越好。同年,Meyer[9]采用实验研究了空气的入口尺寸和出口速度分布都影响换热器的空气流动特性。Atkinson等[10]对百叶窗形
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