倾斜波纹翅片振荡流热管的三维数值模拟研究

邵敏，员冬玲，蔡中盼，李选友

(山东省科学院工业节能研究中心，山东 济南 250103)

振荡流热管是一种新型高效传热元件，是由长的毛细管弯曲成的蛇形管路，由若干细直管道和若干弯头组成。当管径足够小时，在真空下封装在管内的工质在管内形成液、汽相间的柱塞。由于汽液柱塞交错分布，因而在管内产生强烈往复振荡运动，从而实现高效热传递。这种热管具有优良的传热性能，结构简单，可以随意弯曲以及采用不同的加热方式和加热位置等，较传统热管具有明显优势［1］。

由于振荡流热管的管径比较小，在换热器中排列密度大，以致热量不易散出，因此对其采取强化传热措施是十分必要的。在振荡流热管管外增加翅片可以极大地提高热管换热面积，尤其是在与气体进行换热的过程中可以有效地增强换热效果。波纹翅片是一种增加扰流、强化传热的有效翅片，目前在国内外已有很多研究。李祺等［2］对均匀倾斜波纹翅片和倾角渐增倾斜波纹翅片的流动和传热过程进行了研究，发现波纹翅片比平板翅片具有较好的传热效果;Goldstein 等［3］研究发现波纹翅片换热器传热系数比平板翅片高45%;Jang 等［4］研究了波纹翅片的高度和角度对其流动和换热的影响;高强等［5］通过实验得出了波纹翅片换热器的总传热系数关联式以及阻力特性公式;周俊杰等［6］对平板翅片和三角形波纹翅片的传热特性进行了数值模拟研究。但相关文献对带翅片的振荡流热管的流动及传热研究较少，本文对平板翅片振荡流热管和不同倾角的波纹翅片振荡流热管表面流体的流动和传热情况进行了数值模拟研究及分析。

1 物理模型与数值计算方法

1.1 物理模型

本文研究的平板翅片和倾斜波纹翅片振荡流热管的示意图见图1，模拟区域为6 排顺排排列的振荡流热管，计算区域的侧面图和俯视图分别见图2。数值模拟参数见表1。

图1 翅片管示意图Fig.1 Illustration of finned tubes

图2 计算区域示意图Fig.2 Illustration of computational domain

翅片模型基于以下基本假设:(1)辐射换热忽略不计;(2)忽略翅片和振荡流热管外壁面的接触热阻，认为翅片根部温度和管外壁面温度相同;(3)不考虑振荡流热管轴向的传热，只考虑通过翅片的换热;(4)翅片的导热系数为常数。

1.2 数值计算方法

对本文所模拟的三维翅片振荡流热管模型的控制方程如下:

表1 数值模拟参数Table 1 Numerical simulation parameters

在Gambit 中建立模型并划分网格，网格选择四面体网格。计算采用三维湍流模型，压力-速度耦合采用SIMPLE 算法，动量方程和能量方程均采用二阶迎风差分格式。由于振荡流热管内的传热系数非常高，认为振荡流管壁温度是恒温的。进口速度和温度一定，出口为压力自由出口，模型两侧面设为对称边界条件，上下表面为周期性边界条件。

2 模拟结果及分析

2.1 温度分布

4 种不同倾角的翅片空气流道中心平面温度分布见图3。可以看到，平板翅片流体温度场分布非常均匀，呈分层波纹状，温度变化比较平坦，流体与翅片的换热过程比较柔和;随着翅片倾角的增加，由于倾角波纹翅片的表面起伏变化，流体在流道内所受扰动越来越强，温度场分布越来越紊乱，流体与翅片的换热也越来越强烈。从图中可以看出，平板翅片出口处通道中心的流体与靠近管壁处流体温差相差很大，倾角30°时出口处的流体温度差已经明显减小，而当倾角为45°时，出口处流体温度分布已经非常均匀。同时，倾角波纹翅片增加了流道的长度，延长了流体与翅片的接触时间，也在一定程度上增强了传热。数值计算可得到，倾角为0°、15°、30°、45°时的流体出口温度分别为323.1 K、324.6 K、326.5 K、328.2 K，即随着倾角的增大，出口温度升高，换热效果得到增强，但倾角增大的同时也增加了沿程阻力损失。

图3 4 种不同倾角的翅片空气流道中心平面温度分布云图Fig.3 Temperature contours

图4 4 种不同倾角翅片的空气通道中心平面速度分布Fig.4 Velocity distribution

2.2 速度分布

不同倾角翅片的空气通道中心平面速度矢量分布图如图4 所示。从图中可以看到，平板翅片的速度变化平缓，倾角波纹翅片流体速度变化比较剧烈，且剧烈程度随着倾角的增加而增强，尤其是在翅片拐角处，流体速度分布比较密集且变化剧烈，这主要是由于翅片起伏引起流体上下波动。因此倾角翅片在增强换热的同时也会增大压力损失。

2.3 换热量和压力损失

不同倾角翅片在相同进口条件下的换热量和压力损失分别如图5，6 所示。从图5 中可以看出，换热量随着翅片倾角的增加而增大，这是由于随着倾角的增加，流体受因翅片形状引起的扰动越来越强，而且随着倾角的增加，与流体进行换热的翅片表面积也增大，同样起到了增强换热的效果。但这并不意味着翅片倾角越大越好，从图6 可以看到，压力损失也是随着翅片倾角的增加而增大的，当倾角达到45°时压力损失已经达到53.7 Pa，是平板翅片压力损失的5.6 倍，其增加的比率远大于换热量的增幅。

图5 不同翅片倾角下的流体换热量Fig.5 Heat exchange capacity of different fin declined angles

图6 不同翅片倾角下的压力损失Fig.6 Pressure loss of different fin declined angles

3 结论

通过对4 种倾角翅片振荡流热管的数值模拟，得到了不同倾角翅片的温度和速度分布。结果表明，波纹翅片可以加大流体通道的长度，增强流体的湍流强度，使气流充分混合，因此其传热性能远高于平板翅片，但也同时造成了压力损失的增加。因此在实际工程应用中要综合考虑以上因素，根据实际需要选择合适的翅片振荡流热管。

［1］马永锡，庄骏，张红.振荡热管——一种新型独特的传热元件［J］.化工进展，2004，23(9):1008 -1009.

［2］李祺，孙铁，张素香，等.热管倾斜波纹翅片强化传热三维数值模拟与分析［J］.当代化工，2011，40(8):862 -865.

［3］GOLDSTEIN L J，SPARROW E M.Experiments on the transfer characteristics of a corrugated fin and tube heat exchanger configuration［J］.J Heat Transfer，1976，98(1):26 -34.

［4］JANG J Y，CHEN L K.Numerical analysis of heat transfer and fluid flow in a three-dimensional wavy-fin and tube heat exchanger［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，1997，40(16):3981 -3990.

［5］高强，王秋旺，王家贵.正弦波纹翅片表冷器的传热及阻力特性实验研究［J］.制冷学报，2007，28(5):1 -5.

［6］周俊杰，徐国权，张华俊.FLUENT 工程技术与实例分析［M］.北京:中国水利水电出版社，2010:222 -244.