换热器翅片表面空气流动热力过程的数值模拟_简弃非

华南理工大学学报(自然科学版)

第32卷第9期J ournal of South China University of Technology

Vol.32　No.92004年9月

(Natural Science Edition )September 2004

文章编号:1000-565X (2004)09-0067-05

　

换热器翅片表面空气流动热力过程的数值模拟

简弃非　甘庆军　许石嵩

(华南理工大学交通学院,广东广州510640)

摘　要:为了减少换热器翅片设计中的盲目性和复杂性,利用FLUENT 软件模拟了发生

在双排/叉排波纹翅片表面的空气流动和传热过程.在合理简化物理模型的基础上,采用标准k -ε模型和速度-压力耦合的SIMPL E 算法,获得了有代表性的翅片表面温度分布、换热系数等值线图,以及表面气流速度矢量图和相关计算数据.分析了翅片入口风速对翅片表面的温度、气流流动、换热系数、换热量及气流阻力的影响.结果表明,增大入口风速有利于提高翅片的换热性能,但同时又会增加系统能耗,因此入口风速的确定必须考虑系统性能的优化.

关键词:换热器;翅片;温度场;速度场;换热系数;数值模拟中图分类号:TB 61+1 文献标识码:A

　收稿日期:2003-10-15

　作者简介:简弃非(1963-),男,副教授,主要从事传热传质方面的研究.E 2mail :tcjqf @https://www.doczj.com/doc/3812887330.html,

近年来,计算流体力学(CFD )随着计算机技术飞速发展而得到了更加广泛的应用,特别是对各种实际问题的模拟计算,利用计算机数值模拟软件将会更简便、更快速、更直观地得到计算结果.因此,

CFD 软件成为工程设计和研究的重要工具之一.FLUENT 是一种功能强大的CFD 软件,它汇集了大

多数的流体计算模型,包括层流模型、各种紊流模型、基本流体传热模型、化学输运与反应流模型、污染形成模型、相变模拟模型、多相流模型和辐射模型,提供分离解法和耦合解法两种数值方法,通过有限体积离散差分(隐式或显式)方法来求解模型的控制方程,整个求解过程利用设定残差值、松弛因子和

Courant 数来控制其精确性、稳定性和收敛性.本文

利用FLUENT 软件,在对物理模型进行了合理的简化处理的基础上,对于空调冷凝器中的翅片———双排/叉排波纹翅片表面的空气流动和传热情况进行了模拟计算研究,分析了翅片的入口风速对于翅片表面温度分布、气流流动、翅片换热系数和换热量及气流阻力的影响,并得出相关结论.此数值模拟工作

为实际换热器翅片的设计提供了基础数据和有指导意义的理论分析.

1　

铜管翅片换热器

图1　双排/叉排波纹翅片结构

Fig.1　Structure of double/cross 2row corrugated fin

空调冷凝器中常采用铜管翅片换热器来增强其

换热效果,其基本构造是制冷剂在铜管中流动,铜管外面通过机械胀管的方法套平行的连续翅片以增加换热面积,根据不同的结构尺寸或换热量的要求,换热器可以是一排或多排,翅片也有平片、波纹片和各种冲缝片等不同的形式.它的整个换热过程为:冷凝器换热铜管中的高温制冷剂气体的热量通过导热的形式传递给套在其外面的翅片,翅片上的热量再以

对流的方式传递给翅片表面的冷空气(常温),通过不停地吹入新的冷空气达到增强冷却的作用.由于换热铜管外套的翅片的形状不同,换热的效果自然有好坏之分.另外,对于同一种翅片换热器来说,其入口风速、温度等也将会影响其换热的效率.针对以上几个影响翅片换热器效率的因素,我们采用CFD 的FLUENT 软件对双排/叉排波纹翅片的流场及温度场进行模拟,翅片结构如图1所示.

2　FLUENT 三维模拟计算过程

2.1　计算工况和计算域的确定

计算工况选取冷凝器中制冷剂的冷凝过程,此时冷凝器中的翅片向外界散热,选取319K 为冷凝温度[1],计算域为铜管外上下两片翅片之间空气流过的区域(见图2).翅片结构的各种参数见表1

.

图2　翅片计算域示意图

Fig.2　Schematic diagram of calculating area of fin

表1　翅片结构参数

Table 1　Parameters of the fin πs structure

mm

单翅片宽度翅片间距翅片厚度管间距管径管壁厚

24

1

0.105

40

10

0.35

2.2　物理模型的建立———Gambit 建模

建立三维模型和网格划分及边界条件的设定在

Gambit 模块下完成(见图3),这是FLUENT 计算的

前处理过程,网格为六面体和四面体网格,网格总数均为45869个,网格质量在0.7以下,可以接受.在

Gambit 模块下设定其边界类型和流体类型如下:进

口为速度入口,出口为自由压力出口,管壁为恒温边界条件,翅片面为耦合计算壁面,外壁边界为对称性边界条件,内壁边界为恒温边界条件,流体为空气

(设为理想气体)

.

图3　翅片计算域网格

Fig.3　The grid for the calculating area of the fin

2.3　模拟计算过程

对计算域物理模型进行了如下简化处理:

(1)由于冷凝器铜管采用壁厚为0.35mm 的内

螺纹管,所以铜管壁厚的导热温差可忽略,即取铜管外壁温度为319K,外界气流温度为308K.

(2)忽略由于温差引起的辐射换热.

(3)忽略翅片和铜管外壁面的接触热阻,认为翅

片根部温度和铜管外壁面温度相同.

在简化的物理模型下建立其数学模型[2],可以用以下5个方程来表示:

连续性方程:

55x i

(ρυi )=0　(i =1,2,3)(1)

动量方程:5(ρυi )5t +5(ρυi υj )5x j =-5p

5x i

+55x j μ5υi x j

-ρυi υj (i ,j =1,2,3且i ≠j )(2)

能量守恒方程:

5t

(ρE )

+ ?(υ(ρE +p ))=

?(k eff ΔT -hj +(τeff ?υ))(3)

空气流动采用标准k -ε模型[4]:55t (ρk )+55x i (ρk υi )=55x j

μ+μt σk 5k

5x j

+

G k -ρ

ε(4)

55t (ρε)+55x i (ρευi )=55x j

μ+

μt σε5

ε5x j

+

C 1ε

ε

k

G k -C 2ε

ρε

2

k

(5)

式中:υi 为气体在x i 方向上的速度,m/s ;υj 为气体在x j 方向上的速度,m/s ;ρ为气体密度,kg/m 3;p 为气体静压力,Pa ;h 为气体比焓,J /kg ;q 为气体单位质量传热量,J /kg ;υ为气体速度,m/s ;c p 为气体

8

6华南理工大学学报(自然科学版)第32卷

定压比热,J /(kg ?K );j 为扩散流量,kg/s ;τeff 为应力张量,Pa ; 为那勃勒算子符号,定义为

6

3

i =1

5

5x i

;E =h -p q +υ2

2

为气体比内能,J /kg ;h =∫

T

T ref

c p

d T;

T ref 是参考温度,K,这里取T ref =298.15K;T 是流体

温度,K;k eff =k +k f ,为有效传热系数,k 为层流传热系数,k f 为湍流传热系数,W/(m 2

?K );ε为耗散率;G k =-ρυ′i υ′j

5υj

5x i

,为由于平均速度梯度而产生的湍动能,J ;σk 为对于k 的湍流普朗特数;σε为对于ε的湍流普朗特数;μ为流体的动力粘度,Pa ?s ;μt =ρC μ

k

2

ε,计算系数C

μ为常数;C 1ε,C 2ε

都为常数.标准k -ε模型方程中各参数取值见表2.各边

界条件设定见表3(环境压力为一个标准大气压).

表2　标准k -ε模型参数

Table 2　Parameters of the standard k 2

εmodel C 1ε

C 2ε

C μ

σk

σε

1.441.920.09

1.0

1.3

表3　边界条件参数

Table 3　Parameters of boundary conditions

边界条件项设置内容

速度进口v =2m/s (3m/s ),T =308K

压力出口出口背压0Pa (表压),出口背景温度308K

内壁设为T =319K 的壁面,可导热外壁设为对称面(Symmetry )顶部壁面设为T =319K 的壁面,可导热底部壁面

设为T =319K 的壁面,可导热

模型求解采用压力-速度耦合的SIMPL E 方法[3].利用Gambit 模块建模完成后,将Mesh 文件导入FLUENT ,模拟计算在FLUENT 下完成,计算只在管外进行,翅片表面温度采用自身导热和表面对流换热的耦合方式,利用隐式差分分离求解方法[4]经计算机迭代计算后最终得出收敛结果.FLUENT 采用分离求解是把控制方程分离解出的,即一个一个地解.因为控制方程是非线性、耦合的,所以在得到收敛解之前,必须进行迭代.每步迭代过程如下:(1)在当前解的基础上,更新流体属性(如果计算刚刚开始,流体的属性用初始解来更新);(2)为了更新流

场,三维的动量方程用当前压力和表面质量流量按顺序解出;(3)因为第一步得到的速度可能在局部不满足连续性方程,所以从连续性方程和线化动量方程推导出压力校正的泊松方程,然后解出压力校正方程获取压力和速度场以及表面质量流量的必要校正从而满足连续性方程;(4)在适当地方,用前面更新的其它变量的数值解出湍流、能量、组分和辐射等标量;(5)当包含相间耦合时,可用离散相轨迹计算来更新连续相的源项;(6)检查设定的方程的收敛性,直到满足收敛判据才结束上述步骤.

最后,利用FLUENT 软件的后处理模块,在Dis 2

play 功能栏中显示翅片表面的温度等值线图、平均

换热系数等值线图和速度矢量图,并在Report 功能栏中通过面积分和积分平均值的方法,求出在入口速度为2,3m/s 情况下的翅片表面平均换热系数、计算域换热量和空气进出口气流压力损失等数据.

3　模拟计算结果分析

(1)由温度场等值线图(图4)可以看出,波纹翅

片表面的温度场等值线是不光滑的,这是由于波纹翅片的表面起伏不平,影响了表面的气流速度的均匀性,从翅片表面气流速度矢量图(图5)也可看出这一点,迎风面的气流速度高于背风面,因而迎风面换热效果明显高于背风面的换热效果,故温度分布也随翅片表面形状起伏不定,容易使翅片上某处的热应力集中,可能导致减少翅片的使用寿命

.

图4　叉排波纹翅片表面温度场等值线图

Fig.4　The contour diagram of the surface temperature field of

cross 2row corrugated fin

9

6　第9期简弃非等:换热器翅片表面空气流动热力过程的数值模拟

图5　叉排波纹翅片表面气流速度矢量图

Fig.5　The vector diagram of the surface air velocity of cross 2

row corrugated fin

(2)入口风速为3m/s 时,波纹翅片表面上相同位置的温度要低于入口风速为2m/s 时的温度(见图4),且等值线分布较均匀.入口风速的增大不但强化了前一排翅片表面的扰动换热,而且使后一排翅片表面的扰动换热效果得到持续,图5(b )中入口风速为3m/s 的翅片表面换热系数等值线分布比图5(a )中的密集(尤其是后排的翅片),说明了其产生

了较多等级的梯度变化,扰动换热效果明显,换热效

率高,因此,入口风速的增大使翅片表面温度降低且温度分布前后排比较均匀.

(3)波纹翅片表面的空气流动是比较紊乱的,尤其是在气流经过第一排翅片的时候(此时气流速度较大),产生了明显的扰动(见图6),这是由于波纹翅片的表面形状以及表面温度分布的不均匀性使得

气流方向突变和产生局部温差动力而形成紊流所

图6　叉排波纹翅片表面换热系数等值线图

Fig.6　The contour diagram of the surface heat transfer

coefficient of cross 2row corrugated fin

致;另外,入口风速的增大,使得波纹翅片表面上的气流在铜管背风处保持较大的气流速度,从而使铜管背风处的气流与铜管以及翅片的换热效果更强了(见图6),整个翅片换热效率得到了提高.根据计算结果,在相同工况下,入口风速为2m/s 时,翅片平均表面换热系数为11.14W/(m 2?K ),计算域的换热量为2.06W ,空气进出口压力损失(气流阻力)为315.69Pa ,而入口风速为3m/s 时,翅片平均表面换热系数为15.68W/(m 2?K ),计算域的换热量为2.92W ,空气进出口压力损失为672.98Pa ,比入口风

速为2m/s 时分别增大约40.75%,41.75%,113.2%.由

此可见,入口风速的增大有利于提高整个翅片的换热性能.

4　结论

本文使用FLUENT 软件模拟计算发生在空调换热器中的双排/叉排波纹翅片表面温度分布、空气流动以及换热情况,就翅片的入口风速对翅片传热的影响进行了分析,得出如下结论:(1)波纹翅片温度分布不光滑,容易使翅片产生热应力集中,可能影响翅片寿命;(2)双排波纹翅片的第二排翅片的表面气流速度会明显降低,使扰动换热效果减弱;(3)在相同工况下,入口风速增大使波纹翅片在铜管背风处气流流速增大,从而增强其整体换热性能;(4)在相同工况下,当波纹翅片入口风速由2m/s 增大到3m/s 时,其平均表面换热系数增大约40.75%,换热量增大约41.75%,气流阻力增大约113.2%.增大入口风速可提高翅片的换热效率,但入口风速过大也会增加气流的压力损失,从而增加风机的功率消耗.因此,从系统总体能耗的角度来说,不可过分地增大入口风速,必须结合系统整体性能的优化来确定入口的风速.参考文献:

[1]　GB/T 7725—1996,房间空气调节器[S ].

[2]　陶文铨.数值传热学[M ].西安:西安交通大学出版社,

1988.

[3]　张智,金培耕,刘志刚,等.空调冷凝器中的流动与传热

分析[J ].制冷技术,2002(1):8-13.

[3]　Zhang Zhi ,Jin Pei 2geng ,Liu Zhi 2gang ,et al.Analysis of air

flow and heat transfer in air conditioner condensers [J ].Re 2frigeration Technology ,2002(1):8-13.

[4]　Fluent Inc.FLUENT 6.0Tutorial User πs Guide Volume 1～

2[M ].Lebanon :Fluent Inc ,2001.

7华南理工大学学报(自然科学版)第32卷

N u me rical Si m ulation of t he The r modyna mic Process of Air Flow

on Fi n S urf aces i n Heat Exc ha nge rs

J ian Qi 2fei Gan Qing 2jun Xu Shi 2song

(College of Traffic and Communications ,South China Univ.of Tech.,Guangzhou 510640,Guangdong ,China )

A bst ract :In order to reduce the blindness and complexity of designing heat exchanger fins ,the air flow and heat transfer process on the surface of double/cross 2row corrugated fin were simulated by the software of FLUENT.On the

basis of the reasonable predigestion of the physical model of heat transfer and by using the standard k 2

εmodel and the SIMPL E arithmetic of velocity 2pressure coupling ,some typical contour charts describing the surface temperature distri 2bution and heat exchange coefficient of the fin were obtained ,and so were the vector charts of the air velocity on the fin surface and the relevant calculated data.The influence of the air velocity in the inlet on the surface temperature ,the air flow ,the heat exchange coefficient ,the heat exchange quantity and the airflow resistance of the fin was also ana 2lyzed.It is concluded that the increasing of the air velocity in the inlet will improve the heat exchange ability of the fin ,and increase the energy consumption of the system ,which proves the necessity of the optimization of the system performance for setting the air velocity in the inlet.

Key wor ds :heat exchanger ;fin ;temperature field ;velocity field ;heat transfer coefficient ;numerical simulation

　(上接第66页)

[10]　Ulgiati S ,Brown M T.Quantifying the environmental sup 2

port for dilution and abatement of process emissions :The case of electricity production [J ].J ournal of Cleaner Pro 2duction ,2002,10:335-348.

[11]　隋春花,蓝盛芳.广州城市生态系统能值分析研究

[J ].重庆环境科学,2001,23(5):4-6.

Sui Chun 2hua ,Lan Sheng 2fang.Emergy analysis

of

Guangzhou urban ecosystem [J ].Chongqing Environment Science ,2001,23(5):4-6.

[12]　刘晓铭,朱亚新.浅谈锡山市垃圾堆肥处理[J ].环境

检测管理与技术,1997,9(3):8-9.

Liu Xiao 2ming ,Zhu Ya 2xin.Discussion on disposal of garbage compost in Xishan city ,China [J ].Circumstance Detecting Management and Technology ,1997,9(3):8-9.

Eme rgy A nalysis i n Wast e Disp os al

Lou Bo

(College of Electric Power ,South China Univ.of Tech.,Guangzhou 510640,Guangdong ,China )

A bst ract :Several common methods for waste disposal were analyzed by the emergy theory and the corresponding EIR (Emergy Investment Ratio )and EYR (Emergy Y ield Ratio )were calculated.The results indicate that the EYR of the electric power generation from waste landfill gas and from the combustion of waste is slightly greater than 1,while the EYR from composting is less than 1.Although the former is a little promising ,the EYR is still low.This is why the application of these methods needs the support from government and the application of new technologies in our country at present.The latter ,despite relatively low EYR ,was used for waste disposal in the past ,and is still used at the pre 2sent time due to the low EIR.

Key wor ds :waste disposal ;emergy ;emergy investment ratio ;emergy yield ratio

1

7　第9期简弃非等:换热器翅片表面空气流动热力过程的数值模拟