波纹开缝翅片管换热器传热与流动性的数值模拟_李军

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翅片式管翅式换热器流动换热性能比较研究

翅片式管翅式换热器流动换热性能比较研究摘要：随着制冷空调行业的发展,人们已经把注意力集中在高效、节能节材的紧凑式换热器的开发上,而翅片管式换热器正是制冷、空调领域中所广泛采用的一种换热器形式。

对于它的研究不仅有利于提高换热器的换热效率及其整体性能,而且对改进翅片换热器的设计型式,推出更加节能、节材的紧凑式换热器有着重要的指导意义。

由于翅片管式换热器在翅片结构形式和几何尺寸的不同,造成其换热性能和阻力性能上的极大差异。

本文概述目前国内外空调制冷行业中的普遍采用的几种不同翅片类型（平直翅片、波纹翅片、开缝翅片、百叶窗形翅片）的换热及压降实验关联式及其影响因素，对不同翅片形式的管翅式换热器的换热及压降特性的实验关联式进行总结，并对不同翅片的流动换热性能进行了比较。

正确地选用实验关联式及性能指标，将对翅片管式换热器的优化设计及其制造提供可靠的依据。

关键词：翅片形式；管翅式；换热器；关联式；流动换热性能1 绪论1.1课题背景及研究意义换热器是国民生产中的重要设备，其应用遍及动力、冶金、化工、炼油、建筑、机械制造、食品、医药及航空等各工业部门。

例如，过路热力系统中的过热器、省煤器、空气预热器、凝汽器、除氧器、给水加热器、冷却塔等；金属冶炼系统中的热风炉、空气或煤气预热器、废热锅炉等；制冷及低温系统中的蒸发器、冷凝器、回热器等；石油化工工业中广泛采用的加热及冷却设备等，制糖工业和造纸工业的糖液蒸发器和纸浆蒸发器，这些都是换热器应用的大量实例。

它不但是一种广泛应用的通用设备，并且在某些工业企业中占有很重要的地位。

例如在是有化工工厂中，它的投资要占到整个建厂投资的1/5左右，它的重量站工艺设备总重的40%；在年产30万吨的乙烯装置中，它的投资站总投资的25%。

由于世界上燃煤、石油、天然气资源储量有限而面临这能源短缺的局面，各国都致力于新能源的开发，并积极开展预热回收及节能工作，因而换热器的应用又与能源的开发及节约有着密切的联系。

开缝型翅片流动与传热三维数值模拟

作者简介：尹
斌（９５）１７一，男，士，主要从事空调系统优化仿真与多相流的研究．博
维普资讯
热科学与技术
ｌ２Ｘ
卜
第６卷
Ｃ－（ｋＣＧ）一ＣＴ＋ｓｂＧ２
Ｃ１— １４４，Ｃ２一１９．．２，Ｃ一００９，．
片的对流换热［４。２］－动量方程
鞘圈豳阁圈隧
图１典型的翅片结构
Ｆｉ．Ｒｅｒｓｎａｉｅ：ｓｔｕｔｒｇ１ｐｅｅｔｔｖ［ｓｒｃｕｅｉｎ
毒舰．老十Ｐ（（一一象十ｇ２ｆ）考十］号蓦ｃ）３一
一
能量方程
（（）ｐｕ一
标准愚ｅ程一方
ｐｅ— ＹＭ
㈤
（）５
基＝［差十Ｇｃ基）］十十一毒：（毫十ｃ［十）］
收稿日期：２０ —８２；修回日期：２０— ５３．０６０－１０７０— Ｏ
大，过ｓｉ１型翅片的阻力最小。流ｌ一ｔ
关键词：开缝型翅片；流动；传热；数值模拟
中图分类号：ＴＫＯ５文献标识码：Ａ
０引 Biblioteka 言开缝型翅片的表面几何结构复杂，难用完很
整的数学模型描述，先前的研究以实验为主。本文
０００
８８８
片长度，以保证出口无回流。
研究对象为三种型式的开缝片，别是单边分

开缝翅片换热器三维流动传热特性数值研究

ｒｓｌｈｗｈｔｓｔｎｔｅｆａｆｅｔｅｙｉｒｖｅｔｔｎｆｒｐｒｏｍａｃｎｅｔｒｎｆｒｅｈｎｅｎｆｅｕｔｓｏｔａｌｈｎｃｎｅｆｃｉｌｍｐｏｅｈａａｓｅｅｆｒｎｅａｄｈａａｓｅｎａｃｍｅｔｏｓｏｏｉｖｒｔｉｅｅａｄｔｅｔＶｎｆｒｅｅｔｏｐＶｅｍｌｅｔｎｔｏｓｒｍｌｔｔｅｂｓｈａａｓｅｆｎｄｔｂ，ｎｅｈａａｓｅｆｃｆｔｅｕｓａｓｔＳｂｔｒｔａｅｄｗｎｔａｓｏ，ｈｅｔｅｔｔｎｆｒｎｕｈｈｏｉｅｈｈｅｒ
２ＣｉａＰｔｌｕＥｎｉｅｒｇＣ．Ｌｔ．ｒｉａＣｏａｙ，Ｈｅｅｎｉ６５２，Ｃｉａ．ｈｎｅｒｅｍｇｎｅｉｏ．ｄＮｏｔＣｈｎｍｐｎｏｎｈｂｉＲｅｑｕ０２５ｈｎ；
３Ｃｈｎ．ｉａＮａｉｎ１ｌｃｒｔｏａｅｔｉＥｃＡｐａａｕｓａｃｎｔｔ，Ｇｕｎｄｎａｇｈｕ５０６，Ｃｈｎ）ｐｒｔｓＲｅｅｒｈＩｓｉｅｕｔａｇｏｇＧｕｎｚｏ１８０ｉａ
ＡｂｔａｔＴｈｈｓｃｌｄｌｎｔｅｔｃｌｓｒｃ：ｅｐｙｉａｍｏｅｄｍａｈｍａｉａｍｏｅｆｓｏｎｈａｘｈｎｅｒｅｄｍｅｓｏａＯｈａａｓｅａｄｌｔｅｔｃａｇｒｈｅ — ｉｎｉｎｌＷｅｔｒｎｆｒｏｌｆｉｅｔｌｆｔｗｅｅｅｔｂｉｈｄａｄｓｍｅｎｍｅｉａａｃｌｔｎｎｈａａｓｅｎｔｗｉｉｅｅｔｌｔｏａｉｎｒａｄｄｏｔｒｓａｌｓｅ．ｎｏｕｒｃｌｌｕａｉｓｏｅｔｒｎｆｒｕｉｔｄｆｒｎｏｃｔｓｗｅｅｃｒｅｕ．ｃｏｔＳｈｓｌｏ

翅片管式换热器的数值模拟与优化

CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS 2010年第 29卷增刊 ·82·化工进展翅片管式换热器的数值模拟与优化司子辉,张燕,康一亭,欧顺冰(西华大学能源与环境学院,四川成都 610039摘要:利用 FLUENT 数值模拟方法,研究两种翅片(波纹三对称穿孔翅片与波纹翅片的表面流动性与传热性,得到不同风速表面传热系数的分布。

表面传热系数模拟结果与实验数据的误差为 5%~10%,证明该模拟方法的正确性。

研究结果表明:当气流速度不同时,波纹三对称穿孔翅片表面传热系数比波纹翅片表面传热系数高20%~28%,节约能耗,强化传热。

关键词:翅片;数值模拟;表面传热系数中图分类号:TB 657.5; TQ 008 文献标志码:A 文章编号:1000– 6613(2010 S2–082– 05Numerical simulation and optimization of finned tube heat exchanger SI Zihui , ZHANG Yan, KANG Yiting, OU Shunbing(School of Energy and Environment, Xihua University, Chengdu 610039, Sichuan , ChinaAbstract: The performance of surface flow and heat transfer of two kinds of different finned-tubes (wavy three symmetric holes fin surfaces and wavy fin surfaces are numerically studied by using FLUENT software, and distributions of convection heattransfer coefficients are obtained. The error of surface heat transfer coefficient between simulation results and experimental data ranges from 5% to 10%, which proves the feasibility of the simulation method. The results show that the convection heat transfer coefficients of the wavy three symmetric holes fin surfaces increase by 20%—28% compared to the wavy fin surfaces, thus saving energy and enhancing heat transfer.Key words: fin; numerical simulation; surface heat transfer coefficient翅片管式换热器应用广泛,其强化传热的数值模拟的研究一直是研究者普遍关注的课题。

翅片管换热过程的数值模拟

翅片管换热过程的数值模拟
张永军;李言;袁启龙;朱江新;王世军
【期刊名称】《机械强度》
【年(卷),期】2004(26)4
【摘要】以切削—挤压复合成型新工艺加工的新型翅片管为研究对象 ,给出大长径比的翅片管换热过程的数学模型及其有限元模型 ,利用有限元分析软件ANSYS的二次开发语言APDL编写程序 ,对翅片管换热过程中温度场的分布进行数值模拟 ,得到翅片管两侧的平均对流换热系数 ;对不同尺寸的翅片管进行换热过程模拟计算 ,并根据结果总结出翅片管几何参数对对流换热系数的影响规律 ;对有限元计算结果进行实验验证 ,两者结果比较吻合 ;并以计算结果为依据 ,对翅片管结构进行优化。

【总页数】3页(P466-468)
【关键词】切削-挤压;翅片管;平均对流换热系数
【作者】张永军;李言;袁启龙;朱江新;王世军
【作者单位】西安理工大学机械工程与精密仪器学院
【正文语种】中文
【中图分类】TH183.1;TK172.4
【相关文献】
1.椭圆H型翅片管压降与换热特性数值模拟 [J], 韩筱;曹绛敏;张姣阳
2.开缝翅片管式换热器的换热与流动特性数值模拟 [J], 张小青
3.平直开缝翅片和波纹翅片管换热器换热特性的数值模拟 [J], 宋源; 李士雨
4.振动翅片管流动与换热的介观数值模拟研究 [J], 卢伟健;何宗润;谭沛林;徐智艺;陶实
5.扁平翅片管管外流体流动与换热的数值模拟研究 [J], 余海
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翅片管式换热器空气侧流动及换热性能的数值模拟

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【期刊名称】《上海理工大学学报》【年(卷),期】2014(000)004【摘要】Theperformanceofflowandheattransferofthreekindsoffinandtubeheatexcha ngers 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 coefficientoffinweremeasuredunderdifferentwindvelocity.Thenumericalresu ltswereprovedtobe correct by the available experimental data.The study indicates that Nu number of the increasing pitch wave-fin is13.8%~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.%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．【总页数】5页(P307-311)【作者】陈彪;余敏;龙时丹;王晓阳【作者单位】上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093;上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093;上海法维莱交通车辆有限公司，上海 201906;上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093【正文语种】中文【中图分类】TK121【相关文献】1.波纹翅片管换热器空气侧流动换热的三维数值模拟 [J], 曹先慧;马贵阳;王雷;姚尧;高艳波;莫海元;刘金彪2.倾角渐增波纹翅片管换热器空气侧流动与换热特性的数值模拟 [J], 张晓霞;周俊杰3.双开缝翅片空气侧换热和流动特性的数值模拟 [J], 魏双;郑传祥;何建龙;冯苗根4.圆管平板-波纹翅片管换热器空气侧流动换热特性的数值模拟 [J], 周俊杰;刘利武;魏新利;王定标5.百叶窗翅片管换热器空气侧流动换热的三维数值模拟 [J], 闫立林;周俊杰因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

波纹翅片管换热器空气侧流动换热的三维数值模拟

ＣＡＯＸｉａｎｈｕｉ～，ＭＡＧｕｉｙａｎｇ，ＷＡＮＧＬｅｉ，ＹＡＯＹａｏ，ＧＡＯＹａｎｂｏ，ＭＯＨａｉｙｕａｎ，ＬＩＵＪｉｎｂｉａｏ
（１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＰｅｔｒｏｌｅｕｍＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＬｉａｏｎｉｎｇＳｈｉｈｕａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＦｕｓｈｕｎＬｉａｏｎｉｎｇ１１３００１，Ｃｈｉｎａ；
关键词：波纹翅片；对流换热；数值模拟中图分类号：ＴＥ９６５；ＴＢ６５７．５文献标志码：Ａｄｏｉ：１０．３６９６／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２ — ６９５２．２０１３．０３．０１２
摘要：基于有限容积法建立波纹翅片管换热器流体流动与传热的计算模型，在不同送风速度工况下，分别
对６种不同波纹倾角结构换热器内流体的流动及传热进行了数值模拟，分析了流道内的温度场、压力场及速度场的
Ｒｅｃｅｉｖｅｄ２Ｊａｎｕａｒｙ２０１３；ｒｅｖｉｓｅｄ５Ａｐｒｉｌ２０１３：ａｃｃｅｐｔｅｄ７Ｊｕｎｅ２０１３
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄｏｎｆｉｎｉｔｅｖｏｌｕｍｅｍｅｔｈｏｄ，ａｔｈｒｅｅ — ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆａｗａｖｙｆｉｎｅｘｃｈａｎｇｅｒｗａｓｂｕｉｌｔｕｐｆｏｒｆｌｕｉｄ — ｆｌｏｗａｎｄｈｅａｔ — ｔｒａｎｓｆｅｒｓｔｕｄｙ，ａｎｄｕｓｉｎｇＣＦＤｓｏｆｔｗａｒｅ，ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｗｅｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｆｏｒｆｌｕｉｄｆｌｏｗａｎｄｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｉｎｓｉｄｅｔｈｅｈｅａｔｅｘｃｈａｎｇｅｒｏｆ６ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉｎｃｌｉｎａｔｉｏｎａｎｇｌｅｓｕｎｄｅｒｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｉｒｖｅｌｏｃｉｔｉｅｓ．Ｔｈｅｖａｒｉａｔｉｏｎｓｏｆ

翅片管式换热器传热与流场流动特性的数值模拟

耦合计算，这就要求管壁和管外都需要布置网格，整体建模的思路必将产生数量巨大的网格，在实际模拟计算中受到计算机软硬件的限制。为了便于计算，在实际情况的基础上对翅片管换热的物
理模型作如下简化假设：
中图分类号ＴＱＯ５１．５文献标识码Ａ文章编号０２５４￣０９４（２０１３）０３－０３４７０５－
扩展表面强化传热在换热器中已得到广泛的
应用，翅片管是最常见的扩展表面形式之一 … 。
１换热器的基本结构参数及整体模型简化笔者研究的换热器是油田用注气锅炉的对流
ｄ．基管与翅片的导热系数为常数，且忽略基管轴向导热对换热的影响；
ｅ．对辐射换热和重力影响忽略不计，且不考虑翅片管的污垢热阻。
段，由１４排共计１６２根翅片管组成，每根翅片管
长３７９２ｍｍ，翅片管基管外径８９ａｍ，ｒ壁厚１３ｍｍ，
通过对翅片管换热器几何形状进行分析，发现与管束轴向垂直的截面形状和尺寸均相同，都为矩形和梯形的组合。在受热管束轴线的中点取如图１所示方框中的区域作为计算域进行数值模拟。计算域的截面与管束轴线方向垂直，沿轴向
摘要
在对大型翅片管式换热器结构合理简化的基础上，应用ＣＦＤ和数值传熟学方法，建立了翅片

开缝翅片流动和传热性能的实验研究及数值模拟

( State Key Laboratory of Multip hase Flow in Power Engineering , Xi′an Jiaotong Universit y , Xi′an 710049 , China)
Abstract : Air side heat t ransfer and fluid flow characteristics of t wo2row slot ted fin2and2t ube heat t ransfer surface wit h X2t ype st rip arrangement were st udied experimentally and numerically. The heat t ransfer and f rictio n factor correlatio ns were o btained in a wide range of Reynolds number . It is fo und t hat t he slotted fin2and2t ube heat t ransfer surfaces have excellent performance co mpared wit h t he plain plate fin heat t rans2 fer surfaces and t he perfo rmance of X2t ype t wo2side st rip fin surfaces is bet ter t han t hat of o ne2side st rip fin surfaces. By numerical met hod , t he fin efficiency curves fo r X2t ype t wo2side st rip fin surfaces were a2 chieved. Fro m t he viewpoint of field synergy , t he air velocit y and temperat ure fields bet ween t he t wo neighbo ring fin surfaces and t he dist ributio n of local heat t ransfer coefficient and p ressure drop in flow di2 rectio n were analyzed. The result s show t hat t he heat t ransfer enhancement of slot ted fins is caused by t he imp rovement of t he synergy bet ween t he velocit y field and t he temperat ure gradient . Keywords : heat e x chan ger ; st ri p f i n s u r f ace ; heat t rans f er enhancement ; e x peri ment al i nvesti g ation ;

波纹翅片的传热与流动特性研究

河北工业大学城市学院毕业设计说明书作者：白玉广学号：085674系：能源与环境工程专业：热能与动力工程题目：波纹翅片的传热与流动特性研究指导者：田丽亭讲师(姓名) (专业技术职务)评阅者：(姓名) (专业技术职务)2012年05月18日毕业设计（论文）中文摘要题目：波纹翅片的传热与流动特性研究摘要：板翅式换热器是在20世纪问世的, 由于其在节省能源与材料方面的优越性，如今在石油化工、能源动力、冶金、制冷、航天等各领域已经获得了广泛的应用。

波纹翅片是这种紧凑式换热器的翅片类型中的一种, 它增加了传热面积和扰流的程度，对换热器的性能有很大的提升。

本文首先对不同尺寸的波纹翅片进行了数值模拟分析，得到了各个尺寸下温度以及速度的分布场图，并计算出各个模型的换热因子j和阻力因子f，根据他们的数值判断翅片在该模型下的性能优略。

结果发现同平直翅片做比较，发现波纹翅片在换热方面确实大大优于平直翅片。

另外发现了，在相同的进出口条件下，波纹翅片的翅片高度h f、翅片间距s f、波长L、波幅A等因素对翅片性能的影响规律。

随着翅片高度的增加，换热因子j减小，阻力因子f减小；随着翅片间距的增加，换热因子j减小，阻力因子f减小；随着波长的增加，换热因子j和阻力因子f同时减小，随着波幅的增大，换热因子j和阻力因子f同时增大。

关键词：波纹翅片数值模拟换热因子阻力因子毕业设计（论文）外文摘要Title:study on heat transfer and flow of wavy finsAbstractPlate-fin heat exchanger appears in the 20th century. Now it is used widely in various fields such as petrochemical,Energy and Power,metallurgy, Refrigeration,aerospace, because of its superiority in the saving of energy and materials. The wavy fin is one of fin types on this compact heat exchanger.It increases the heat transfer area and the degree of spoiler, and improves the performance of the heat exchanger greatly.In this paper, I have carried out the numerical simulation analysis on different geometric dimensions of the wavy fins, and gotten their temperature field and velocity field. Then, I calculated the heat transfer factor j and resistance factor f of each model. According to their value we can judge the performance of that model.The results show that the wavy fins is better than rectangle fins in the aspects of heat transfer characteristics. In the same import and export conditions,We also found the influence of fin height h f, fin spacing s f, wavelength L, amplitude A and other factors.As the fin height increases, the heat transfer factor j decreases, the resistance factor f decreases;As the increase of fin spacing, the heat transfer factor j decreases, the resistance factor f decreases; As the increasing of wavelength, the heat transfer factor j and resistance factor f decreases at the same time, As the volatility increases, the heat transfer factor j and resistance factor f increases at the same time.Keywords：wavy fins，numerical simulation，heat transfer factor，resistance factor目次1引言 (1)1.1课题研究背景及意义 (1)1.2波纹翅片的特点和应用场合 (2)1.3研究现状 (2)1.4本文的研究工作 (5)2数值模型的建立与计算方法 (5)2.1 概论 (5)2.2 数值模型与网格划分 (6)2.3结果的计算 (11)3 数值计算的结果与数据分析 (13)3.1 波纹翅片与平直翅片的比较 (13)3.2波纹翅片的温度场和速度场特点 (16)3.3 翅片高度的影响 (19)3.4翅片间距的影响 (22)3.5 波长的影响 (24)3.6波幅的影响 (27)结论 (31)参考文献 (32)致谢 (34)附录A 计算波浪线坐标点的Python源代码 (35)附录B 计算j、f因子的Python源代码 (36)1 引言1．1 课题研究背景及意义板翅式换热器是在20世纪问世的,由于其在节省能源与材料方面的优越性以及具有体积小，重量轻、效率高等突出优点，如今在石油化工、能源动力、冶金、制冷、航空航天、原子能和机械等各领域已经获得了广泛的应用。

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收稿日期：2008-05-05 基金项目：湛江市科技攻关项目(B03095)；华南理工大学传热强化与过程节能教育部重点实验室访问学者基金项目（KF0606）第一作者：李军（1968－），男，工程师，研究方向为热能工程。通讯作者：凌长明，Tel:0759-2382174. E-mail:ling-cm@
第 28 卷第 4 期 2008 年 8 月
广东海洋大学学报 Journal of Guangdong Ocean University
Vol.28 No.4 Aug. 2008
波纹开缝翅片管换热器传热与流动性的数值模拟
李军 1，吴学红 1，徐青 1，凌长明 1，张正国 2
（1．广东海洋大学工程学院，广东湛江 524025；2．华南理工大学传热强化与过程节能教育部重点实验室，广东广州 510640）
第4期
李军等：波纹开缝翅片管换热器的传热与流动性的数值模拟
83
与压降进行了研究，其中文献[4-6]还拟合了波纹翅片管的换热与阻力系数关系式。为此，本文提出一种波纹开缝翅片管换热器，并与平板开缝翅片管换热器的流动和换热性能进行对比分析，旨在寻求一种换热效果更好的新型翅片管换热器。
连续性方程动量方程
velocity
综合图 3、图 4、图 5 可知，在 Re 小于 2 752 时，可以选用平板开缝翅片；而在 Re 大于 2 752 时，由于波纹开缝翅片在换热与阻力损失两方面均比平板开缝翅片好，故可选用波纹开缝翅片。
图 6 为波纹开缝翅片截面的速度失量图，所选位置是在计算区域的中间 X=6 mm 处。
第4期
李军等：波纹开缝翅片管换热器的传热与流动性的数值模拟
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纹开缝翅片阻力损失系数比平直翅片高 30% ~ 70%，比波纹翅片高 10% ~ 33%。与换热增加相比，其阻力损失增大相对较小。计算中平板开缝翅片的压力损失系数比平板平均高 80% ~ 98%，波纹开缝
翅片则比平板翅片高出 50% ~ 70%。综上可见，实验结果与计算结果较为一致，波纹开缝翅片确是一种性能较好的翅片结构。
∂ ∂x j
(ρu
j)
=
0;
1 计算模型
∂ ∂xi
(ρuiu j )
=
∂ ∂x j
(μ
∂ui ∂x j
)
−
∂p ∂xi
;
本文对图 1 中 3 种形式的两排翅片管进行数值模拟，结构尺寸（单位 mm）见图 1，三维计算区域的选取如图 1 的虚线所示，翅片的厚度为 0.2 mm，开缝宽度为 1 mm。图 2 为波纹开缝翅片所选取的计算区域示意图。为表达的简洁，采用 Einstein 求和符号规则，其计算控制方程为: [8]
Abstract: The article presents three-dimensional numerical simulation of air-side heat transfer and flow performance of a kind of new slit wave-plate fin heat exchanger and draws a comparison between the heat transfer and flow performance of slit plate fin heat exchanger. It is revealed that the heat transfer coefficient of the slit plate fin heat exchanger is more than that of the slit wave-plate for Re<2 752. However, for Re>2 752, the result is reversed，and pressure loss of the slit wave-plate shows smaller than that of the slit plate. So, in the case of Re>2 752, the slit wavy-plate is better than the slit plates in the whole. Key words: fin-and-tube heat exchangers; slit fin; wavy fin; heat transfer; flow performance;
从图 6 可以看出，在速度为 1.5 m/s( Re = 1 032) 时，在壁面处的速度梯度较小；而在速度为 4 m/s 时，在壁面处的速度梯度较大，流动明显，对流换热增强。 2.4 计算结果与实验结果的比较
通过对波纹开缝翅片换热与流动特性进行实验研究 1) ，得出以下结果：实验测试的 3 种翅片的 Nu 均随着 Re 的增加而增加，以波纹开缝翅片的增加最快，实验测得波纹开缝翅片的换热性能比平直翅片高 20% ~120%，比波纹翅片高 30% ~70%, 而计算中 3 种翅片换热性能相差更明显；3 种翅片的阻力损失系数则随 Re 的增加而减小，实验得出波
c 波纹开缝
图2 波纹开缝翅片的示意图 Fig.2 Wavy slit fins
2 计算结果与分析
2.1 计算边界条件的设定假定管壁的温度（313 K）为常数，给定翅片
的导热系数，翅片的温度在计算中确定。流体入口处给定速度与温度（303 K），Re 范围为 1 000~5 000 （流速范围为 1.5~7 m/s）。出口处设为局部单向化边界条件，在流动方向上入口延长 0.5 倍管径，出口延长 1 倍管径，以保证出口无回流。上下边界为周期性边界条件，左右为对称性边界条件，计算模型为三维稳态层流不可压缩流动，计算主要应用 FLUENT 软件进行，用二阶迎风格式进行迭代求解，并用 SIMPLE 算法实现压力场与速度场的耦合。计算区域的网格是采用 GAMBIT 软件生成的，网格的密度进行了网格独立性考核，保证计算迭代收敛的要求。 2.2 计算结果的处理方法
LI Jun1, WU Xue-hong1, XU Qing1, LING Chang-ming1, ZHANG Zheng-guo2 (1.Engineering College, Guangdong Ocean University, Zhanjiang 524025,China; 2. The Key Lab of Enhanced Heat Transfer and Energy Conservation of Ministry of Education, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China )
压降与换热可以分别用摩擦因子与斯坦顿数 St 来表示，它们的定义根据总的传热面积 At、最小流通截面积 Ac 和通过最小截面的平均流速来表示。即
84
广东海洋大学学报
第 28 卷
St Cp Nu
f
=
ΔP ρU 2 Ac
,
2 At
换热系数
St = hc 。 ρUC p
hc
=
Φ， A Tt LMTD
其中, TLMTD 为对数平均温差，而对数平均温差用翅片的温度与进出口温度的差值算得；Φ 为通过换热面的热流量,单位为 W。 2.3 计算结果分析
能量方程
∂ ∂x j
(ρu jT ) =
∂ ∂x j
k ( Cp
∂T ∂x j
)。
其中， ρ 为密度，u 为速度， p 为压力， k 为传热系数， T 为温度， Cp 为比定压热容。
25.4
25.4
25.4
12 7
12 6
12
a 平板
b 平板开缝
图 1 翅片的形状 Fig.1 Shape of fins
4000
5000
Re
图4 Nu与Re的关系 Fig.4 Relationship between Nu and Re
0.18
0.16
平板翅片
平板开缝翅片
0.14
波纹开缝翅片
0.12
0.10
0.08
0.06
0.04 1000
2000
3000 Re
4000
5000
图5 压力损失系数与速度的关系 Fig.5 Relationship between pressure loss coefficient and
图 5 显示的是压力损失系数随 Re 的变化关系，从图 5 可看出，随着 Re 的增加，压力系数逐渐减小。由于开缝的作用，平板开缝翅片的压力损失系数比平板平均高 80%~98%，波纹开缝翅片则比平板翅片高出 50%~70%。这说明，在相同的情况下，波纹开缝翅片的阻力损失较平板开缝翅片小。
0.09
片。采用间断表面—开缝翅片比其他两种方法更能提高换热系数，因此是目前广泛使用的技术。
由于换热器空气侧开缝翅片结构的复杂性，有关数值模拟的文献较少。K.N.Atkinson 等[2] 对百叶窗形式的翅片换热器用 Star-CD 进行了二维与三维数值模拟。屈冶国等[3]对开缝翅片进行了三维数值模拟。文献[4-7]分别用实验方法对波纹翅片的换热
图 3 和图 4 分别表示 St 与 Nu 随 Re 的变化关系，从图 3 可见，St 随 Re 的增加而减小，在 Re 小于 2 752 时，平板开缝的 St 要大于波纹开缝的 St；在 Re 大于 2 752 时，波纹开缝的 St 要大于平板开缝的 St，且随着 Re 的增加 St 增大趋势加大。从图 4 可见，Nu 随 Re 的增加而增大，在 Re 小于 2 752 时，平板开缝的 Nu 要大于波纹开缝的 Nu；在 Re 大于 2 752 时，波纹开缝的 Nu 大于平板开缝的 Nu，且随着 Re 的增加 Nu 增大趋势越明显。图 3 和图 4 结果表明：在 Re 低于 2 752 的情况下，平板开缝翅片比波纹开缝翅片换热要好；在 Re 高于 2 752 的情况下，波纹开缝翅片比平板开缝翅片换热要好。且随着 Re 的增大，这种差别也增大。