翅片管式换热器空气侧流动及换热性能的数值模拟

陈 彪， 余 敏， 龙时丹， 王晓阳

（1.上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093；2.上海法维莱交通车辆有限公司，上海 201906）

翅片管式换热器空气侧流动及换热性能的数值模拟

陈 彪1， 余 敏1， 龙时丹2， 王晓阳1

（1.上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093；2.上海法维莱交通车辆有限公司，上海 201906）

借助CFD软件对3种不同类型的翅片管式换热器（平直翅片、均匀波纹翅片和倾角渐增波纹翅片）的流动传热性能进行了三维数值模拟计算，得出了在不同入口风速下各流域中心面的温度场、压力场和速度场分布图，计算出各翅片表面在不同风速下的平均传热系数和阻力系数，并与相关实验数据对比，证明该数值模拟的正确性.研究结果表明，倾角渐增波纹翅片的平均努谢尔数比平直翅片的高13.8%～29.3%，比均匀波纹翅片的高5.5%～10.3%，其强化传热效果显著.

翅片管式换热器；数值模拟；传热系数；阻力系数

目前，翅片管式换热器已广泛应用于石油化工、航空航天、车辆工程、动力机械及低温制冷等领域.由于翅片管式换热器的主要热阻为空气侧热阻，因而合理设计翅片结构和增强翅片侧传热性能是改善翅片管式换热器性能最有效也是最常用的途径.传统方法主要是使用波形翅片和孔槽型翅片，国内外学者对翅片管式换热器空气侧的换热进行了许多实验和数值模拟的研究工作.例如，陈莹等对不同迎面风速下平直翅片和波形翅片进行了数值模拟和实验的对比研究［1］.Wongwises和Chokeman实验研究了波形翅片管式换热器的翅片倾斜度和管排数对空气侧换热性能的影响，结果表明，雷诺数高于2 500时，随着翅片倾斜度的增加，阻力系数增加，但是，对换热因子的影响不是很显著；雷诺数低于4 000时，换热因子和阻力系数随着管排数的增加而降低［2］. Jang和Chen通过数值模拟研究了三维波形翅片管式换热器中的传热和流动特性，结果表明，波形翅片的换热因子比相应的平直翅片的高63%～73%，阻力系数也高出75%～102%［3］.信石玉和崔晓钰利用数值模拟的方法，研究了空调系统用的翅片管式换热器的开缝翅片的开缝微肋结构对翅片整体的流动与传热特性的影响，得出翅片开缝微肋在既定工况下存在最佳倾斜角度等结论［4］.作者使用CFD软件对平直翅片管换热器和波纹翅片管换热器的空气侧气流进行了三维数值模拟，其中，波纹翅片管又分为均匀波纹翅片与倾角渐增波纹翅片，得出了3种类型翅片换热器的速度场、温度场及压力场的分布情况，其结果对工程应用及换热器研究具有一定的参考价值.

1 物理及数学建模

1.1 几何模型及边界条件

首先对计算模型作几点简化和假设：

a.忽略辐射换热，不考虑换热管轴向传热及管排间的逆向导热.

b.马赫数较低，流动是不可压缩流动.

c.翅片导热系数无限大，即翅片上的温度均匀分布.

d.忽略翅片和管外壁的接触热阻.

数值模拟使用的是商业软件Fluent 6.3.26，由前处理软件Gambit 2.4.6建立三维模型并划分网格.翅片的材料为铝，3种翅片的结构尺寸如表1所示，边界条件设置如表2所示.以均匀波纹翅片管为例，它的计算区域及边界条件定义分别如图1和图2所示.u为空气入口速度，T为空气温度.

表1 翅片几何尺寸Tab.1 Sizes of fin

表2 边界条件Tab.2 Boundary condition

1.2 数学模型

空气入口速度u取值范围为0.5～5.0 m／s，雷诺数Re＜2 000，因此，空气在翅片间的流动状态为层流.控制方程参考文献［5］.

质量守恒方程

式中，ui为速度分量；xi为坐标分量；ρ为空气密度.

图1 均匀波纹翅片计算区域示意图Fig.1 Sketch of computational domain of average pitch wave-fin

动量守恒方程

式中，uk为速度分量；μ为空气动力黏度；p为压力.

能量守恒方程

式中，k为空气导热系数；cp为空气比定压热容.

图2 边界条件示意图Fig.2 Sketch of boundary conditions

2 研究方法

通过CFD软件的前处理软件Gambit建立三维模型，将流域中心面设置为周期边界并划分周期网格.对于平直翅片，由于结构相对简单，使用的是六面体和四面体混合结构网格，而对波形翅片采用的是四面体非结构网格.在Fluent软件中设置翅片和换热管为固体壁面边界条件，温度固定在318 K.求解器中设置能量方程和动量方程的离散格式为二阶迎风格式，选取Simple算法求解压力速度耦合方程.为保证精度，在求解迭代过程中需使连续性方程和动量方程残差小于10-3，能量方程残差小于10-6，并检验进出口流体热流量差是否达到10-3W量级，假如满足以上条件，可认为计算已经收敛［6］.本文设定迭代步数为1 000，计算收敛后再对结果进行分析和讨论.

3 结果分析与讨论

3.1 不同翅片形式的换热流动情况分析

选取空气入口速度为2 m／s时流域中心面的温度场、压力场和速度场分布进行分析讨论.

分析图3可以看出，由于平直翅片表面平坦光滑，气体所受扰动较弱，换热过程比较柔和，温度等值线光滑而均匀，呈分层波纹状.而对于波纹翅片，气流扰动较强，换热强烈，温度场分布不均且变化剧烈，温度等值线分布紊乱，呈狭长带状.在迎风侧，温度梯度较大，换热强烈；在背风侧，恰好相反.这是因为背风面发生绕流脱体影响了换热，波纹翅片对绕流脱体现象有一定的破坏作用，因而波纹翅片增强了换热效果.

图3 温度场分布Fig.3 Distribution of temperature fields

分析图4（见下页）可以看出，平直翅片的压力场均匀分布，为分层波纹状.而波纹翅片的压力场比较紊乱，分层比较狭长.由于波纹翅片对流场的扰动作用比平直翅片的大，因而造成的阻力损失较大，要保持相同的进口流速和进出口压力，必须增大风机的功率.在最小流通截面的两侧，压力先降后升，近壁面处有负压区存在，这是因为流体在绕流圆管时，流通截面的变化引起速度变化，导致空气静压先减后增，从而出现沿程压力的周期性变化.

分析图5（见下页）可以看出，空气横掠叉排管束时由于流通截面的渐缩和渐扩作用，使流动速度产生周期性的交替变化，同时在背风面产生了局部的回流和漩涡，但是，相比平直翅片，波纹翅片的脱体回流区较小，这样就增强了背风侧的换热效果.

3.2 不同空气入口速度下换热情况分析

空气入口速度与压降Δp、换热量Q之间的变化关系曲线如图6和图7所示.

图4 压力场分布Fig.4 Distribution of pressure fields

图5 速度矢量分布Fig.5 Distribution of velocity vector

图6 空气入口速度与换热量关系曲线Fig.6 Curve of velocity vs.quantity of heat

图7 空气入口速度与压降关系曲线Fig.7 Curve of velocity vs.pressure drop

分析图6可以看出，3种翅片换热器的换热量都随空气入口速度的增大呈现递增的趋势.以3 m／s的入口速度为例，均匀波纹翅片和倾角渐增波纹翅片的换热量分别是平直翅片的1.18倍和1.23倍，即在相同工况下，倾角渐增波纹翅片的换热效果最好，而平直翅片的最差.但是，从图7可以看到，随着空气入口速度的增大，各翅片管式换热器的压力损失也显著增大，且倾角渐增波纹翅片的增幅最大，最大时为平直翅片的2.03倍，即翅片类型对阻力性能有很大的影响.由此可以认为，波纹翅片增强了传热效果，压力损失也相应增加.但是，在对换热器体积要求严格且需要较高换热量的场合，波纹翅片的优势是显而易见的，而且倾角渐增波纹翅片比均匀翅片的换热效果更佳.

雷诺数Re与阻力系数f、努谢尔数Nu之间的关系曲线如图8和图9所示.

分析图8和图9也能得出上述相同的结论，即倾角渐增波纹翅片的换热效果最好，同时阻力损失也最大.本文对均匀翅片的数值模拟的计算结果略大于文献［1］中的实验数据，如图9所示，其雷诺数Re与努谢尔数Nu之间的关系曲线变化趋势一致，误差在10%以内，其影响因素主要是实验散热损失及翅片实际尺寸与设计尺寸的误差.因此，可以认为数值模拟的计算结果是相对可靠的.

图8 雷诺数与阻力系数关系曲线Fig.8 Curve of Re vs.f

图9 雷诺数与努谢尔数关系曲线Fig.9 Curve of Re vs.Nu

4 结 论

a.平直翅片的温度场、压力场分布均匀，呈分层波纹状；波纹型翅片的温度场、压力场分布相对紊乱，呈狭长带状.

b.在其它工况不变时，增大空气入口速度可以增强翅片的换热效果，同时，空气入口速度的增大也会使阻力损失增加，所以，空气入口速度的提升应当在压降允许范围之内.

c.流体横掠平直翅片时，速度场的变化相对平缓，脱体漩涡区域较大，不利于背风面换热；而对波纹翅片，流场速度变化剧烈，脱体区漩涡形成受阻，因而有利于背风面充分换热.

d.雷诺数Re在400～1 500的范围内，波纹翅片的传热性能强于平直翅片的，因为，波纹翅片不仅可以加大流道的长度，而且它波纹状的流道使流体充分混合，从而增强了传热效果；波纹翅片改变了流体的速度场，减小了速度矢量和热流密度矢量的夹角，从而增强了场协同的程度，强化了换热［7］.

e.空气入口速度在0.5～5.0 m／s时，倾角渐增波纹翅片的换热系数比平直翅片的高13.8%～29.3%，倾角渐增波纹翅片的压降损失比平直翅片的高14.1%～108.2%；均匀波纹翅片的换热系数比平直翅片的高8.3%～18.9%，均匀波纹翅片的压降损失比平直翅片的高10.0%～71.8%.因此，在实际工程应用中可以按照换热器的运行工况和使用条件选择不同类型的翅片.

［1］ 陈莹，高飞，高冈大造，等.翅片管式换热器空气侧性能的数值模拟［C］∥中国制冷学会2009年学术年会论文集.北京：中国制冷学会，2009：1-5.

［2］ Wongwises S，Chokeman Y.Effect of fin pitch and number of tube rows on the air side performance of herringbone wavy fin and tube heat exchangers［J］. Energy Conversion and Management，2005，46（13／14）：2216-2231.

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

［4］ 信石玉，崔晓钰.微肋角度对开缝翅片流动与传热性能影响的三维数值模拟［J］.上海理工大学学报，2009，31（6）：525-528.

［5］ 王福军.计算流体动力学分析——CFD软件原理与应用［M］.北京：清华大学出版社，2004.

［6］ 韩占忠，王敬，兰小平.FLUENT流体工程仿真计算实例与应用［M］.北京：北京理工大学出版社，2004.

［7］ 过增元.换热器中的场协同原则及其应用［J］.机械工程学报，2003，39（12）：1-9.

（编辑：石 瑛）

Numerical Simulation of Heat Transfer and Fluid Flow in Fin and Tube Heat Exchanger on the Air Side

CHENBiao1， YUMin1， LONGShi-dan2， WANGXiao-yang1
（1.School of Energy and Power Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China；2.Shagnhai Faively Traffic Equipment Co.，Ltd.，Shanghai 201906，China）

The performance of flow and heat transfer of three kinds of fin and tube heat exchangers including plane fin，average pitch wave-fin and increasing pitch wave-fin heat exchangers were numerically simulated with CFD software，and the distributions of temperature，pressure and velocity on each central plane of fluid region were obtained.In addition，the mean surface heat transfer coefficient and resistance coefficient of fin were measured under different wind velocity.The numerical results were proved to be correct by the available experimental data.The study indicates that Nu number of the increasing pitch wave-fin is 13.8%～29.3%higher than the plane fin，and 5.5%～10.3%higher than the average pitch wave-fin，thus achieving remarkable heat transfer enhancement.

fin and tube exchanger；numerical simulation；heat transfer coefficient；resistance coefficient

TK 121

A

2013-08-13

陈 彪（1989-），男，硕士研究生.研究方向：数值传热.E-mail：greycat161＠126.com

余 敏（1952-），女，教授.研究方向：能源有效利用与节能技术.E-mail：usstym＠qq.com

1007-6735（2014）04-0307-05

10.13255／j.cnki.jusst.2014.04.001