椭圆管翅式换热器空气侧传热和流动特性的数值模拟.docx

椭圆管翅式换热器空气侧传热和流动特性的数值模拟
刘妮 ,崔强 ,赖晓玲
(上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093; 上海市动力工程多相流动与传热重点实验室，上海，200093)
摘 要: 建立了椭圆管百叶窗翅片换热器三维模有较小的尾流区域和较低的轮廓阻力，在与流体换热过程中，明显优于圆管。周俊杰和陶文铨[2] 采用仿真手段研究了平片翅片配合圆管换热器、开缝翅片分别配合圆管和椭圆管翅式换热器的空气侧流动状态和换热特性,发现椭圆管综合性能与阻力特性要明显优于圆管换热器。孔晓鸣等[3-5]通过实验与数值模拟分析了小管径椭圆管开缝翅片换热器空气侧的流动与传热特性，并研究了椭圆管的偏心率对换热效果的影响。Sun和Zhang[6]分析了椭圆形翅片管换热器的管纵横向间距、空气流速等对换热器流动特性和换热性能的影响，并进行了结构参数的优化设计。Iozza G和Merlo U[7]通过对不同翅片类型（平板翅片、波纹翅片、百叶窗翅片等），相同换热管型的15种管翅式换热器进行实验研究，探究不同类型翅片对管翅式换热器的影响。杨立军等[8]对翅片椭圆管进行实验研究，实验结果表明随着进口空气Re增大，管束的Nu数增大，阻力系数f减小。冯丽丽等[9]对矩形椭圆管翅式换热器翅片放置位置进行模拟研究，得出翅片向前偏置会增强椭圆管翅式换热器换热。Matos等[10]对一系列不同参数的圆管和椭圆管平板翅片进行实验和模拟计算，研究得出最佳椭圆管管翅式换热器的换热效率比圆管管翅式换热器的换热效率可高达19%。
Chang和Wang[11-12]分别对91种不同结构尺寸的百叶窗翅片进行了实验，得到了大量实验数据，通过整理实验数据，拟合得到了关于阻力和传热性能的关联式，这些关联式具有很高的关联度。Wang和Lee[13]等对6种不同百叶窗翅片结构共计49种换热器样件进行了实验研究，提出了通用关联式，包括表示传热效果的Colburn j因子关联式及表示流动效果的阻力因子f关联式，被认为是目前比较准确的关联式。漆波等[14]采用数值模拟方法研究时，提出翅片温度由翅片导热与空气对流换热耦合决定，结果表明模拟计算与实验结果的吻合度在合理接受范围。
当前对于椭圆管翅式换热器的研究大多集中在优化翅片结构上，对管束结构的综合研究较少。本文建立了椭圆管百叶窗翅片换热器的三维模型，采用仿真手段研究了椭圆管不同管径、管排数、翅片间距等结构参数的改变对换热器传热和流动特性的影响规律，并对压力场、空气流场、速度矢量分布进行了分析，对此类换热器在工程实际应用上提供依据。
1 物理模型及计算方法
物理模型
椭圆管翅式换热器由铝制翅片和换热铜管组成，椭圆管翅式换热器结构尺寸如表1所示。为了保证数值计算时具有相同换热表面积，设定椭圆管的周长与直径为7 mm的圆管相等，椭圆管的椭圆率（长短轴比）为1:1~1:2，根据翅片结构的对称性和周期性，百叶窗翅片管换热器的三维计算区域如图1所示。计算域上下表面为周期面，前后表面为对称面，计算域高度为一个翅片间距。在空气进口位置，将计算区域向上游延长
5倍翅片间距以保证来流均匀性；在空气出口位置，将计算区域向下游延长7倍铜管外径来确保出口区域无回流[15]。
图1计算区域示意图
Schematic diagram of calcula