开缝翅片流动和传热性能的实验研究及数值模拟
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( 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 ;
翅片 管 平 均 高 约 971 3 % , 阻 力 性 能 平 均 高 约
631 4 %;两开缝翅片管的阻力性能接近 , X 型双向开
缝翅片管的传热性能比单向开缝翅片管高约
91 95 %. 简单比较可知 ,开缝翅片是一种有效强化空 气传热的方式 ,而且 X 型布置的双向开缝翅片性能 更好. 3. 2 双向开缝翅片的效率
图 5 换热系数与迎面风速的关系曲线
4. 3 数值计算结果分析 为分析比较 , 本文还对相同尺寸的平直翅片进
行了数值模拟 ,计算得出的平直翅片及双向开缝翅 片的两翅片间中间截面的温度场及速度场如图 6 、 图 7 所示. 流动方向上对流换热系数及压降的沿程 变化如图 8 、图 9 所示.
图 4 开缝翅片的计算区域
=
1 k
-
Rw
+ Rs
+
1 hi
A0 Ai
(1)
式中 :η0 为肋面总效率 ,η0 = ( A1 +ηf A2 ) / A0 , A1 为
翅片间基管表面积 , A2 为翅片表面积 ,ηf 为翅片效
率 ,用数值计算的方法确定 ; A0 为翅片侧总表面积 ;
Ai 为管内表面积 ; Rw 为管壁热阻 ; Rs 为污垢热阻
(西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室 , 710049 , 西安)
摘要 : 对 2 排 X 型双向开缝翅片管换热器空气侧的传热及阻力性能进行了实验研究 , 在实验的 Re 范围内 得出了传热和阻力的性能关联式及特性曲线. 比较得出 ,开缝翅片的传热性能远高于平直翅片 ,与单向开缝 翅片相比 ,X 型双向开缝翅片的性能更好. 通过数值模拟得出了 X 型双向开缝翅片的效率计算曲线. 应用场 协同原理 ,对数值模拟得到的气流在 2 片翅片之间的温度场 、速度场 、对流换热系数及压降在流动方向上的 沿程变化进行了分析. 结果表明 ,开缝翅片有效强化传热的根本原因是翅片开缝后改善了速度和温度梯度的 协同性. 关键词 : 换热器 ;开缝翅片 ;强化传热 ;实验研究 ;数值模拟 ;场协同 中图分类号 : T K13 文献标识码 : A 文章编号 : 0253Ο987X(2005) 03Ο0229Ο04
Experimental and Numerical Study on Heat Transfer and Fluid Flo w Characteristics of Slotted Fin2and2Tube Heat Transfer Surfaces
L i H ui z hen , Qu Zhi g uo , Cheng Yong p an , T ao W enquan
最大拟合偏差 + 11 75 % , - 11 57 %
阻力性能关联式
f = 1021 424 9 - 01 930 7 (lg Re) +01 071 1 (lg Re) 2
(4)
适用范围为 71 80 ×102 < Re < 61 84 ×103
最大拟合偏差 + 21 42 % , - 21 94 %
传热机理的数值模拟研究则更少 ,因此对开缝翅片 管的研究还远远不够. 本文采用实验研究及数值模 拟的方法 ,对与文献[ 1Ο3 ]中翅片结构不尽相同的国 内空调器中应用的双向开缝翅片管换热器的传热和 阻力性能进行了研究及分析.
1 实验装置及元件参数
实验装置为一个吸风式风洞 ,由空气和蒸气凝 结水两回路组成 ,实验系统及测量参见文献 [ 4 ] . 实 验元件为开缝翅片管 ,翅片上开缝呈 X 型双桥布置 (如图 1 所示) . 所谓双桥即指沿流动方向 ,开缝处的 条带翅片交替地向上或向下突起 , 其突起高度为 01 64 mm ,条带宽度为 1 mm. 元件尺寸及管束参数 为 :基管外径 d0 = 7 mm ; 翅根直径 d3 = 71 24 mm ( d3 = d0 + 2δ) ;翅片节距 s = 11 4 mm ; 翅片厚度δ= 01 12 mm ;横向管间距 s1 = 21 mm ;纵向管间距 s2 = 121 7 mm ; 管排数 N = 2. 管束排列方式为叉排 , 基 管材料为铜 ,翅片材料为铝合金.
3 实验结果
3. 1 传热和阻力特性 拟合整理实验数据 ,得出 2 排 X 型双向开缝翅
片管的传热和阻力特性实验关联式如下 : 传热性能关联式
N u = 1011 197 4 - 01 207 8 (lg Re) +01 103 4 (lg Re) 2
(3)
适用范围为 71 80 ×102 < Re < 61 84 ×103
图 1 开缝翅片条缝布置
2 实验数据整理
实验时管外翅片侧为空气强制对流换热 , 管内 为蒸气凝结放热 ,在工况稳定后进行测量 ,各工况的 热平衡偏差控制在 ±5 %以内 ,以两侧热量的平均值 作为计算热量. 采用热阻分离法 ,将空气侧对流换热 系数从总传热热阻中分离出来[5] ,表达式如下
1 h0η0
收稿日期 : 2004Ο08Ο03. 作者简介 : 李惠珍 (1952～) ,女 ,高级工程师. 基金项目 : 国家重点基础研究发展规划资助项 目 ( G2000026303) ;国家自然科学基金资助项目 (50476046) .
230
西 安 交 通 大 学 学 报 第 39 卷
第 39 卷 第 3 期
西 安 交 通 大 学 学 报
Vol . 39 №3
2005 年 3 月 J O U RNAL O F XI′A N J IAO TON G U N IV ERSI T Y Mar. 2005
开缝翅片流动和传热性能的实验研究及数值模拟
李惠珍 , 屈治国 , 程永攀 , 陶文铨
传热及阻力性能实验关联式 ,文献[ 2 ]也对部分单向 及双向开缝翅片给出了实验关联式 ,但由于开缝翅 片结构复杂 ,诸多因素如翅片节距 、开缝翅片的缝 宽 、缝长 、缝高 、开缝数及缝的分布等都不同程度地 影响其流动和传热[3] ,翅片效率的计算也因此变得 复 杂且无公式可循[2 ,3] ,用于分析开缝翅片流动和
X 型双向开缝翅片管的传热和阻力特性实验曲
线如图 2 所示 ,为进行比较 ,图中还给出了 2 排单向
开缝翅片管[1 ] 及平直翅片管[4 ] 的特性ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ线. 由图 2
可看出 :随 Re 增大 , N u 增大 , f 减小 ; 开缝翅片管
的传热性能和阻力性能远高于平直翅片 , 在实验的
Re 范围内 , X 型双向开缝翅片管的传热性能比平直
符合良好.
图 3 开缝翅片效率计算曲线
4 数值模拟
4. 1 数值计算方法 对双向开缝翅片进行数值模拟时 ,由于整个翅
片管换热器几何结构的周期性和对称性 , 取 2 片翅 片之间的空间为计算区域 ,如图 4 所示. 计算模型为 三维 稳 态 层 流 不 可 压 缩 流 动 , 采 用 SIM PL E 算 法[7] ,在气流流动的方向上 ,入口取为 11 5L , 出口取 为 5L 以使出口无回流 , 圆管的边界形状通过阶梯 逼近实现 ,管壁温度给定为恒壁温 ,流体温度和翅片 温度由计算确定 ,是一个对流和导热的耦合问题 ,耦 合计算及边界条件处理方法可参见文献[6 ].
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 ;
翅片 管 平 均 高 约 971 3 % , 阻 力 性 能 平 均 高 约
631 4 %;两开缝翅片管的阻力性能接近 , X 型双向开
缝翅片管的传热性能比单向开缝翅片管高约
91 95 %. 简单比较可知 ,开缝翅片是一种有效强化空 气传热的方式 ,而且 X 型布置的双向开缝翅片性能 更好. 3. 2 双向开缝翅片的效率
图 5 换热系数与迎面风速的关系曲线
4. 3 数值计算结果分析 为分析比较 , 本文还对相同尺寸的平直翅片进
行了数值模拟 ,计算得出的平直翅片及双向开缝翅 片的两翅片间中间截面的温度场及速度场如图 6 、 图 7 所示. 流动方向上对流换热系数及压降的沿程 变化如图 8 、图 9 所示.
图 4 开缝翅片的计算区域
=
1 k
-
Rw
+ Rs
+
1 hi
A0 Ai
(1)
式中 :η0 为肋面总效率 ,η0 = ( A1 +ηf A2 ) / A0 , A1 为
翅片间基管表面积 , A2 为翅片表面积 ,ηf 为翅片效
率 ,用数值计算的方法确定 ; A0 为翅片侧总表面积 ;
Ai 为管内表面积 ; Rw 为管壁热阻 ; Rs 为污垢热阻
(西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室 , 710049 , 西安)
摘要 : 对 2 排 X 型双向开缝翅片管换热器空气侧的传热及阻力性能进行了实验研究 , 在实验的 Re 范围内 得出了传热和阻力的性能关联式及特性曲线. 比较得出 ,开缝翅片的传热性能远高于平直翅片 ,与单向开缝 翅片相比 ,X 型双向开缝翅片的性能更好. 通过数值模拟得出了 X 型双向开缝翅片的效率计算曲线. 应用场 协同原理 ,对数值模拟得到的气流在 2 片翅片之间的温度场 、速度场 、对流换热系数及压降在流动方向上的 沿程变化进行了分析. 结果表明 ,开缝翅片有效强化传热的根本原因是翅片开缝后改善了速度和温度梯度的 协同性. 关键词 : 换热器 ;开缝翅片 ;强化传热 ;实验研究 ;数值模拟 ;场协同 中图分类号 : T K13 文献标识码 : A 文章编号 : 0253Ο987X(2005) 03Ο0229Ο04
Experimental and Numerical Study on Heat Transfer and Fluid Flo w Characteristics of Slotted Fin2and2Tube Heat Transfer Surfaces
L i H ui z hen , Qu Zhi g uo , Cheng Yong p an , T ao W enquan
最大拟合偏差 + 11 75 % , - 11 57 %
阻力性能关联式
f = 1021 424 9 - 01 930 7 (lg Re) +01 071 1 (lg Re) 2
(4)
适用范围为 71 80 ×102 < Re < 61 84 ×103
最大拟合偏差 + 21 42 % , - 21 94 %
传热机理的数值模拟研究则更少 ,因此对开缝翅片 管的研究还远远不够. 本文采用实验研究及数值模 拟的方法 ,对与文献[ 1Ο3 ]中翅片结构不尽相同的国 内空调器中应用的双向开缝翅片管换热器的传热和 阻力性能进行了研究及分析.
1 实验装置及元件参数
实验装置为一个吸风式风洞 ,由空气和蒸气凝 结水两回路组成 ,实验系统及测量参见文献 [ 4 ] . 实 验元件为开缝翅片管 ,翅片上开缝呈 X 型双桥布置 (如图 1 所示) . 所谓双桥即指沿流动方向 ,开缝处的 条带翅片交替地向上或向下突起 , 其突起高度为 01 64 mm ,条带宽度为 1 mm. 元件尺寸及管束参数 为 :基管外径 d0 = 7 mm ; 翅根直径 d3 = 71 24 mm ( d3 = d0 + 2δ) ;翅片节距 s = 11 4 mm ; 翅片厚度δ= 01 12 mm ;横向管间距 s1 = 21 mm ;纵向管间距 s2 = 121 7 mm ; 管排数 N = 2. 管束排列方式为叉排 , 基 管材料为铜 ,翅片材料为铝合金.
3 实验结果
3. 1 传热和阻力特性 拟合整理实验数据 ,得出 2 排 X 型双向开缝翅
片管的传热和阻力特性实验关联式如下 : 传热性能关联式
N u = 1011 197 4 - 01 207 8 (lg Re) +01 103 4 (lg Re) 2
(3)
适用范围为 71 80 ×102 < Re < 61 84 ×103
图 1 开缝翅片条缝布置
2 实验数据整理
实验时管外翅片侧为空气强制对流换热 , 管内 为蒸气凝结放热 ,在工况稳定后进行测量 ,各工况的 热平衡偏差控制在 ±5 %以内 ,以两侧热量的平均值 作为计算热量. 采用热阻分离法 ,将空气侧对流换热 系数从总传热热阻中分离出来[5] ,表达式如下
1 h0η0
收稿日期 : 2004Ο08Ο03. 作者简介 : 李惠珍 (1952～) ,女 ,高级工程师. 基金项目 : 国家重点基础研究发展规划资助项 目 ( G2000026303) ;国家自然科学基金资助项目 (50476046) .
230
西 安 交 通 大 学 学 报 第 39 卷
第 39 卷 第 3 期
西 安 交 通 大 学 学 报
Vol . 39 №3
2005 年 3 月 J O U RNAL O F XI′A N J IAO TON G U N IV ERSI T Y Mar. 2005
开缝翅片流动和传热性能的实验研究及数值模拟
李惠珍 , 屈治国 , 程永攀 , 陶文铨
传热及阻力性能实验关联式 ,文献[ 2 ]也对部分单向 及双向开缝翅片给出了实验关联式 ,但由于开缝翅 片结构复杂 ,诸多因素如翅片节距 、开缝翅片的缝 宽 、缝长 、缝高 、开缝数及缝的分布等都不同程度地 影响其流动和传热[3] ,翅片效率的计算也因此变得 复 杂且无公式可循[2 ,3] ,用于分析开缝翅片流动和
X 型双向开缝翅片管的传热和阻力特性实验曲
线如图 2 所示 ,为进行比较 ,图中还给出了 2 排单向
开缝翅片管[1 ] 及平直翅片管[4 ] 的特性ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ线. 由图 2
可看出 :随 Re 增大 , N u 增大 , f 减小 ; 开缝翅片管
的传热性能和阻力性能远高于平直翅片 , 在实验的
Re 范围内 , X 型双向开缝翅片管的传热性能比平直
符合良好.
图 3 开缝翅片效率计算曲线
4 数值模拟
4. 1 数值计算方法 对双向开缝翅片进行数值模拟时 ,由于整个翅
片管换热器几何结构的周期性和对称性 , 取 2 片翅 片之间的空间为计算区域 ,如图 4 所示. 计算模型为 三维 稳 态 层 流 不 可 压 缩 流 动 , 采 用 SIM PL E 算 法[7] ,在气流流动的方向上 ,入口取为 11 5L , 出口取 为 5L 以使出口无回流 , 圆管的边界形状通过阶梯 逼近实现 ,管壁温度给定为恒壁温 ,流体温度和翅片 温度由计算确定 ,是一个对流和导热的耦合问题 ,耦 合计算及边界条件处理方法可参见文献[6 ].
