西安石油大学本科毕业设计论文
第三章 波纹翅片管换热器流动换热性能数值研究
3.1光滑波纹翅片管翅式换热器元件
本文研究的波纹翅片管内流体为水，翅片侧流体为热空气。管子的材料为白铜（CuNi10Fe），导热系数为40 W·m-1·K-1，翅片的材料为铝合金，导热系数为202 W·m-1·K-1。图3-1为波纹翅片结构示意图。
图3-1 光滑波纹翅片结构示意图
波纹翅片管翅式换热器结构参数如表3-1所示。
表3-1 光滑波纹翅片管翅式换热器结构参数
结构名称 圆管外径 (mm) 管壁厚度 (mm) 翅片厚度 (mm) 翅片间距 (mm) 横向间距 (mm) 纵向间距 (mm) 波峰到波谷投射长度 (mm) 波峰到波谷高度 (mm)
管排
符号 do δt δf Fp Pt Pl Xf Pd N
数值 15.88 1.0 0.2 2.3 38.1 33 5.5 1.5 6
。
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3.2 6排管光滑波纹翅片管翅式换热器数值计算
管翅式换热器如图3-2所示，常用于制冷、空调、化工等工程领域中，如空调机组用的蒸发器、风机盘管及气体压缩机中冷器等。管翅式换热器是由等间距且相互平行的强化翅片和与翅片垂直并按一定规律排列的管束组成。管侧流体为液体（如水、制冷剂等），翅片侧流体为气体（如空气、燃气、烟气等）。图3-3给出了一种管翅式换热器的结构示意图，其中(a)为圆形翅片管翅式换热器，也可称为分离式管翅式换热器，(b)为平直连续翅片管翅式换热器，平直翅片可用波纹翅片、开缝翅片和百叶窗翅片等所代替，它由管束和垂直管束的翅片组成。工业应用中，管子材料一般为铜（在高温下亦可采用不锈钢），翅片材料在不同场合使用时有铝（空调行业），或铜（大型中冷器行业）。虽然对管翅式换热器表面强化换热和阻力特性的有关实验研究已有大量的文献报告，但由于实验研究费时较长而且价格昂贵，因此，近十余年来数值模拟的方法得到越来越多的应用。而且采用数值模拟，可以实现实验无法达到的工况，如小风速或忽略管子与翅片之间的接触热阻等。
换热器的传热过程为：热量由管外热空气通过翅片和管外壁导热传给管内壁，再以管内流动的冷却水以对流的形式将热量带走。因为管内冷却水强制对流换热系数较高，所以可以忽略管内的热阻，假设管壁温度为常数。气流横掠翅片管束，翅片与来流进行强制对流换热。本文主要对空气侧的换热进行研究，计算中不考虑基管与翅片之间的接触热阻。
图 3-2 管翅式换热器
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(a) 圆翅分离式 (b) 平直连续式 图 3-3管翅式换热器芯体示意图
3.2.1 物理模型与数学描述
相比较人之形波纹翅片，光滑波纹翅片的换热性能稍微减小，但是却可以较大程度减小压降，本节研究对象主要为光滑波纹翅片管翅式换热器，换热器基管的材料为白铜，翅片的材料为铝合金。
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图 3-4光滑波纹翅片管翅式换热器计算模型
由于管子和翅片的对称性，取两根相邻圆管及翅片的一半作为计算模型，如图3-4所示。为了在进口处采用速度均匀的条件和避免出口有回流现象，在空气流动方向，入口延长1.5倍的翅片长度，出口延长5倍的翅片长度。数值模拟参数为：管壁温度取350 K，流体入口温度取300 K。图3-5所示为光滑波纹翅片的计算区域示意图，x为主流方向的坐标轴，y为垂直主流方向的坐标轴，z为翅片高度方向的坐标轴。
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图 3-5 光滑波纹翅片的计算区域示意图
本文采用Gambit软件进行光滑波纹翅片管翅式换热器计算模型的构建、边界类型以及网格的生成, 并输出用于CFD软件FLUENT求解器计算的格式，然后利用FLUENT求解器对流动区域进行求解计算, 并进行计算结果的后处理。图3-6为计算区域部分翅片和基管的网格划分。
图3-6部分波纹翅片管翅式换热器计算模型网格
3.2.2 控制方程与边界条件
描述整个换热表面的流动和换热的守恒控制方程为： 连续性方程：
?(3-1)??ui??0?xi
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动量方程：
????uk?uu??ik????xi?xi??xi能量方程：
??p(3-2)????xk
?????T??uT? (3-3) ?i??????xi?xi?cp?xi?由于控制方程是椭圆型的，所以在所有的边界上应给出求解变量的边界条件。计算区域（图3-6）的各边界条件如下
进口：假定进口速度为均匀来流， u?常数，v?w?0；
进口温度为均匀温度，Tin?常数。
出口：采用局部单向化条件。 前后边界：除管子外为对称边界条件，
?T?u?w?0，管子的温??0，v?0，?y?y?y度边界条件为Ttube?常数，忽略翅片和铜管外壁的接触热阻，即翅片根部温度与铜管外壁温度一致。
固体边界条件：管子和翅片的速度边界条件是速度为零，u?v?w?0，翅片表面的温度由自身导热和表面对流换热耦合计算确定。
?T?u?v?0，翅片区对上下边界：延长区假定对称边界条件，??0，w?0，?z?z?z?T?0。 速度为固体边界条件u?v?w?0，对温度为对称边界条件?z数值模拟计算采用有限体积法来离散方程，对流项的离散采用二阶迎风格式，计算所采用的湍流模型为Standard k-ε模型，压力和速度耦合采用SIMPLEC格式，压力插值方式采用Standard格式。由于计算区域中同时存在着固体导热和气体对流换热，故采用气固耦合计算模型，在这里耦合计算是指在计算中将气体和固体区域作为一个整体全场求解，固体和气体的交界面称为耦合面。 3.2.3 计算网格无关性考核
相应地在对光滑波纹翅片管翅式换热器物理模型进行计算之前，先进行了网格无关性考核，如图3-7所示。图3-7是光滑波纹翅片管翅式换热器物理模型在迎风速度vfr=5.3m/s（ReDc=10471）、四种不同网格的情况下的计算结果。如图所示，网格数为199920与网格数为133280 的Nu数相差0.2%，?p相差3.1%；网格数为199920与网格数为266560 的Nu数相差0.1%，?p相差1.2%，所以本章采用网格数为199920
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