开槽对翅片换热器换热性能影响的数值模拟

张美凤，贾世勋，何雪鸿

(1.烟台龙源电力技术股份有限公司，山东烟台 264000;2.石家庄良村热电有限公司，石家庄 052165)

换热器作为必不可少的换热设备被广泛用于石油、化工、电力、制冷、供暖等行业[1-3]。在部分换热器中，换热器一侧是液体，另一侧是气体，而气侧的传热阻力往往远大于液侧的传热阻力，因此降低气侧热阻成为了强化换热器换热能力的关键[4]。在气侧加装翅片可以增大气侧的换热面积，有效降低气侧热阻。因此，在工程中，往往会对翅片进行开槽处理，以增大换热器的换热量。

目前关于开槽翅片的数值模拟较少，对于开槽翅片的尺寸和结构优化缺乏一定的理论依据。笔者采用FLUENT软件对无缝翅片和开槽翅片进行了数值模拟，通过分析速度场、温度场、换热量和压差等分析了开槽翅片强化换热的原因，为翅片换热的设计优化提供了理论依据[2]。

1 计算模型

1.1 物理模型

笔者针对无缝翅片和开槽翅片进行了数值模拟计算，翅片选用四排管，开槽方式为同向均匀开槽。图1为翅片管束的示意图，表1为两种翅片的结构参数。沿管长方向的翅片结构尺寸和翅片间距是一样的，因此在物理建模时只需对单个翅片进行建模。沿横向管间距方向，由于翅片是对称的，因此可以只取半个翅片。为了使翅片入口处空气流场均匀，入口段延长了300 mm；为了消除出口的空气回流，出口段延长了300 mm。由于水侧传热系数较高，且管壁导热率很大，因此假定管壁温度Tw=310.85 K。而翅片的温度分布则取决于管壁温度和空气温度，属于耦合换热，因此翅片的边界条件应设置为耦合边界条件。空气的入口速度为0.5 ～4.0 m/s，温度恒定为289.15 K。由于流场和温度场不会变化，因此计算的出口边界设置为Outflow。

图1 翅片管束示意图

表1 翅片管束结构参数 mm

1.2 控制方程和计算方法

三维、稳态、常物性对流换热控制方程可以表示为连续性方程、动量方程和能量方程。

连续性方程：

(1)

动量方程：

(2)

能量方程：

(3)

式中:ρ为流体的密度；u为流体的速度；μ为流体的动力黏度；p为流场的压力；T为流场的温度；λ为流体的导热系数；cp为流体的比定压热容；i,k分别表示X，Z方向的组分。

笔者所采用的湍流模型为Realizablek-ε，用于翅片间空气流场的计算。相比于Standardk-ε模型，前者采用了新的湍流黏度表达式，同时湍流耗散率是通过真实输运方程推导出来的，在计算存在流体回流以及边界层分离的湍流问题时结果更加可靠。方程组的离散采用了二阶迎风格式，相比于一阶迎风格式有着更高的求解精度。采用SIMPLE算法实现速度和压力的耦合求解。FLUENT软件的求解过程中，设定能量方程残差低于10-8，其他方程残差低于10-4。忽略了空气的浮升力和辐射换热。

1.3 参数定义

笔者所用无因次参数定义如下：

(4)

(5)

摩擦因数f用以描述空气的压降特性，可定义为：

(6)

式中：Δp为空气通过整个翅片管束的压降；L为翅片管束的长度；D为换热管的外径。

2 结果和分析

2.1 换热量分析

图2是翅片管壁换热量随入口空气速度的变化关系。

图2 换热量随入口空气速度的变化

从图2可以看出：对于两种翅片，随着入口空气速度的增大，翅片管换热量也随之增大。对于开槽翅片，入口空气速度越大，换热量增长幅度越小。这是由于空气速度较大时，空气与翅片以及管壁的边界层会变薄，降低近壁处的导热热阻；此外，较大的空气速度能够使得翅片附近的空气温度不会太高，增大了空气和翅片之间的温差，进一步增大了换热量。随着空气速度增大，边界层的变薄程度会降低，同时空气和翅片间温差的增大程度也会降低，使得换热量随空气速度增加而增加的幅度变小。

图3是努塞尔数随雷诺数的变化关系。

图3 努塞尔数随雷诺数的变化

由图3可以看出：和换热量变化趋势类似，Nu随着Re升高而增大，相同Re下开槽翅片的Nu明显高于不开槽翅片的。这是由于开槽能周期性地破坏流场的均匀性，会打破并重塑温度边界层，增大了流场中的紊流度，进而加强了换热。

为了更好地说明开槽对翅片管束换热性能的影响，图4和图5给出了两种翅片的温度云图。从图4和图5可以看出：整个翅片的温度分布并不均匀，沿着空气流动方向，翅片温度逐渐升高。这是由于随着空气流动，其吸热量越来越多，因而温度越高，与翅片表面的换热量逐渐减少。翅片管附近温度最高，离翅片管越远温度越低。在管束后面有个区域的翅片温度较高，这是由于空气冲刷管束后，会在管束后面形成一个尾流区域，该区域内空气流速较小，换热也较低，因而翅片温度较高。当翅片开槽后，由于开槽对边界层的破坏和重塑，使得翅片的换热量增大，换热更加均匀。因此，开槽翅片的温度场分布相对于不开槽翅片会更均匀。

图4 不开槽翅片的换热特性

图5 开槽翅片的换热特性

2.2 流动特性分析

对于翅片管束，由于管束排列和翅片的影响，会使得管束间的流场较为复杂。

图6为两种翅片的压降随入口空气速度的变化关系，图7为两种翅片的摩擦因数随雷诺数的变化关系。从图6中可以看出：随着入口空气速度增大，两种翅片的进出口压差也越大。入口空气速度较低时，两种翅片的进出口压差相差不大，这是由于低流速时，空气流过开槽翅片时流场和速度边界层被破坏得较小，边界层空气和主流区空气混合较少，没有较多的涡流、紊流等形成，使得压力损失和不开槽翅片相差不大。当入口空气速度增大时，开槽翅片管间的空气扰动会更加强烈，因而会形成更多的紊流、涡流等，最终使得开槽翅片有着更大的压力损失。

图6 压降随入口空气速度的变化

图7 摩擦因数随雷诺数的变化

图8和图9为两种翅片在入口空气速度为3 m/s时的压力云图。从图8和图9可以看出：沿着空气流动方向，空气的压力损失逐渐增大，在空气流经管壁前后，有着较大的压降产生，这是由于空气流经管壁时遇到较大的阻力并产生扰流造成的。对比图8和图9可以明显看出：开槽翅片的压降明显高于不开槽翅片，沿着空气流动方向，开槽翅片压力下降速度更为明显。开槽使空气流动产生了较大的阻滞和扰动。

图8 不开槽翅片的压力云图

图9 开槽翅片的压力云图

2.3 综合性能分析

翅片管换热能力增强往往伴随着压力的损失，当想要保证入口空气速度不变时往往需要给空气更多的动力，这会消耗更多的能量，因此需要一个能够综合考虑换热和压力损失的评价标准。笔者采用了综合性能指数(PEC)来描述翅片管换热器的综合性能[5]。PEC越大表明翅片管的整体换热性能越好。

PEC=Nu/f1/3

(7)

图10是不同入口空气速度下开槽翅片和不开槽翅片的PEC。

图10 两种翅片的综合性能指数

从图10可以看出：在入口空气速度为0.5～4.0 m/s时，开槽翅片的PEC比不开槽翅片的高了4.33～10.77。显然，开槽翅片的综合性能明显好于不开槽翅片的，也就是换热量增加的影响要大于压降增加的影响。随着入口空气速度的增加，开槽翅片的PEC比不开槽翅片增加程度也越高，说明入口空气速度越高，开槽翅片的综合换热性能越好。入口空气速度越高，开槽对空气的扰动效果越明显，换热量增加也越多，而压力损失的增大相对没那么明显，因而在高空气流速下开槽翅片有着更好的换热性能。

3 结语

笔者通过FLUENT软件对开槽翅片和不开槽翅片进行了三维数值模拟，研究了不同入口空气速度下两种翅片的换热性能，通过分析温度场、换热量、压力场、压降等对两种翅片的换热性能进行了对比。结果表明：随着入口空气速度的增大，两种翅片管的换热量均会增大；相同入口空气速度下开槽翅片管的换热量要明显高于不开槽翅片管的换热量。开槽翅片管的温度分布比不开槽翅片管的更加均匀。随着入口空气速度增大，两种翅片管的压降也会随之增大，相同入口空气速度下开槽翅片管有着更大的压力损失。这是由于开槽对空气造成了阻碍和扰动。开槽翅片管的PEC要明显高于不开槽翅片管，说明开槽翅片管有着更好的整体换热性能。