平直-波纹翅片椭圆管外空气流动与传热特性的数值研究

阴继翔,马建宗,武广剑,高 源

(1.太原理工大学 电气与动力工程学院,太原 030024;2.深圳和泰源材料科技有限公司,深圳 518057)

平直-波纹翅片椭圆管外空气流动与传热特性的数值研究

阴继翔1,马建宗1,武广剑1,高 源2

(1.太原理工大学 电气与动力工程学院,太原 030024;2.深圳和泰源材料科技有限公司,深圳 518057)

利用三维稳态湍流数值模拟方法,研究了物性参数为常数的空气在波纹翅片椭圆管和4种不同结构参数的平直-波纹复合翅片椭圆管换热器翅片间的换热与流阻特性,揭示了空气进口流速(或雷诺数Re)、平直-波纹复合翅片中波纹段占有比例以及所处位置对翅片表面平均努塞尔数Nu、压差损失Δp和翅片管综合换热性能因子j/f影响的规律。结果表明,复合翅片中波纹段所处的位置对换热强度的影响显著,但对流动压降(Δp)的影响甚微;复合翅片中波纹翅片所占比例的多少是影响Δp的关键因素;翅片宽度方向平均Nu(x)的变化主要发生在翅片起始段,不同结构翅片末段的Nu(x)值相差很小,但此处的波纹翅片却会使总压降增加,即翅片末段宜采用平直翅片;几种翅片椭圆管换热器的综合性能j/f均有最佳值产生,起始段为6个波长波纹翅片与末尾段为8个波长的平直翅片形成的复合翅片椭圆管换热器的综合性能最佳。研究结果将对翅片管换热器的选型设计提供理论指导。

平直-波纹翅片;椭圆翅片管;局部换热特性;综合性能系数

管式换热器最常用的强化换热方法是在对流换热系数较小的换热管外空气侧加装不同形式的翅片,通过增大该侧的换热面积来减少对流换热热阻,平衡管内外两侧的热阻,进而达到强化传热的目的。在动力、能源、冶金、化工、空调与制冷等领域已有各种形式的翅片管换热器得到了广泛的应用,常用的翅片类型主要有平直型、波纹型以及开缝型(条缝型、百叶窗型)。与平直翅片相比,波纹翅片增加了介质的有效流动长度和换热面积,同时增强了流体的扰动,进而换热得以强化。管翅式换热器中的管型有圆管、椭圆管和扁管。国内外学者已对上述不同管型与翅片组合而成的翅片管换热器管外侧流体流动与传热特性进行了较为广泛的研究。辛荣昌等[1]对不同管排数以及不同翅片间距的9种三角形波纹翅片管换热器进行了传热及阻力特性的实验研究,讨论了管排数以及翅片间距的影响,并对三角形波纹翅片与平直翅片的结果进行了比较,发现三角形波纹翅片的传热特性优于平直翅片。Wang et al[2]对包括管排数、翅片间距和管道排列方式不同的18种波纹翅片管换热器进行了实验研究,发现翅片间距对换热因子j的影响微不足道,管排数对摩擦因子f的影响可忽略不计。Han et al[3]对两种不同管径的圆管、椭圆管与两种强化肋片(波纹翅片和百叶窗翅片)形成的管翅式换热器通道内流体流动及换热特征进行了数值研究，结果表明,椭圆管翅片换热器不仅可以减少翅片侧流体流动阻力,同时还可以有效提高翅片效率,而且大管径圆管的换热效率更高一些；对于百叶窗翅片的强化作用,其换热系数提高产生的效果比由其传热面积增加产生的效果更显著。He et al[4]采用稳态和非稳态模型对平直翅片管换热器管外通道内流动与换热数值模拟的结果表明,两种模型得到的平均Nu差异仅为0.35%。冯丽丽等[5]对矩形翅片几何中心与椭圆管中心存在偏移时管外空气流动与换热进行了数值研究，结果表明,管子向下游偏移增加了空气入口区域翅片的有效换热面积,减小管后低速尾流区换热恶化的影响,从而提高了总的换热系数;同时尾流区的减小可使得流动阻力降低,综合性能得以提高。文献[6，7]研究了流体在不同相位差的正弦型波纹通道内作周期性充分发展的层流流动，以及在三角形波纹通道内作湍流流动时强化换热的特性,探讨了上下波纹板相位差以及湍流对流动与换热的影响，结果表明,换热性能的改善需要以阻力损失的增大为代价。Tao等[8]重点讨论了不同倾角(0°，10°，20°)三角形波纹翅片管表面局部Nu数以及翅片效率的分布,发现沿流动方向翅片对流换热系数逐渐减小,而翅片的效率通常却在逐渐增加;适当增加管道迎风侧波纹翅片面积与波纹倾角,可增强换热,减少阻力损失。文献[9]对15种具有相同管型和翅片间距的平直类、波纹类、百叶窗和翼型类管翅式换热器进行了实验研究，发现翅片表面结构形式对换热性能有显著影响,其中以百叶窗形式的翅片管换热效果最佳,但文中没有涉及到平直-波纹或其它组合形式的翅片管换热器。周俊杰等[10]对平直翅片、均匀波纹翅片和前平直-后波纹翅片与圆管组成的翅片管换热器进行了模拟分析,得出了均匀波纹翅片换热效果最好,但相应的阻力损失也最大的结论。

综上所述,对波纹翅片管换热器的研究多集中在翅片厚度、翅间距、波纹形状等几何参数对换热和流阻的影响分析,对平直-波纹翅片偏心椭圆管束外空气流动传热特性的研究还鲜有报道。文献[10]仅对前平直-后波纹各占一半的翅片圆管结构进行了模拟研究,主要讨论了平均特性,缺少局部特征的研究，为此笔者对平直-波纹复合翅片偏心椭圆管束外空气流动传热特性进行数值研究,探讨复合翅片中波纹翅片比例以及波纹所处的位置对传热及阻力的影响,旨在寻求最优的翅片结构。

1 物理问题及数值方法

1.1 物理问题

图2 翅片单元结构示意图

图1为德国GEA公司研发的矩形翅片椭圆管换热器,已被国内大型电站直接空冷凝汽器广泛采用。笔者在此基础上对翅片结构参数进行模拟优化,即采用平直-波纹翅片组合的形式(称为复合翅片)以及波纹翅片偏心椭圆管,其单元结构如图2所示。椭圆管长、短轴分别为a，b;矩形翅片长、宽、厚度和间距分别为A，B，δf，δ;波纹倾角及波长为θ与l;椭圆管前端与矩形翅片前端距离为c,具体数值参见表1所示。为方便表达,将5种不同的翅片结构用符号表示为:B-B(均匀波纹)，P4B10，P8B6，B10P4，B6P8。其中“B”表示波纹,“P”表示平直,翅片长度包含14个波长,数字代表以一个波长为单位的平直或波纹翅片的数量,并以流动方向进行排序(见图2)。考虑到实际结构在管高度方向上的对称性,为了节省计算资源并提高计算的速度,选择相邻翅片单元结构的一半为研究对象,即选择翅片厚度与相邻翅片间距的一半空间作为计算区域,如图2所示。

表1 平直-波纹翅片偏心椭圆管几何尺寸 (mm)

1.2 控制方程及边界条件

本文计算采用物性参数为常数的空气,并假定流动为三维、准稳态湍流,计算采用标准的k-ε湍流模型,其控制方程包含连续性方程、动量方程、能量方程以及k-ε方程，具体内容参见文献[10]。为防止入口效应和出口回流对数值模拟结果产生影响,将进、出口区分别延长3倍和7倍椭圆管短轴的长度。椭圆管壁温度恒定,空气入口温度及速度均匀(在0.5～ 4.0 m/s之间),出口采用局部单向化条件。翅片中剖面为无滑移的绝热条件,与流体接触的翅片表面为耦合面,其余边界为对称条件。

1.3 数据处理所用参数的定义

数值模拟及数据整理中所需参数定义如下:

雷诺数:

努塞尔特数:

传热因子:

阻力系数:

式中:De,L,Um,λ,cp,υ分别为当量直径(取椭圆管短轴长度)、翅片沿主流方向的长度(即为A)、空气在最小截面处的最大流速、空气的导热系数、定压比热和运动粘度；Δp为空气进出口压降,定性温度取空气进出口截面上的平均温度。为对比分析有相同的基准,Re中的物性参数及特征速度(Uin)取进口截面上的值。

1.4 计算区域网格化与数值方法

由于平直-波纹翅片椭圆管换热器管外波纹扰动作用的影响，使得其通道内的流动极为复杂,与平直翅片椭圆管换热器相比,流动可能会在较低的雷诺数下过渡到湍流。另外,研究者对矩形翅片椭圆管换热器数值模拟所采用的流动模型也不尽一致。文献[8,12]使用稳态层流模型,文献[3,5]使用稳态湍流模型,笔者所选模型及其他条件与文献[5]较为接近。为此，选择稳态标准湍流k-ε模型(其合理性分析参见算法验证部分),速度与压力的耦合采用标准SIMPLE算法,对流项的离散采用一阶迎风格式。采用非均匀的结构化网格划分计算区域,并在固体壁面附近区域进行网格加密(见图3所示)。方程迭代收敛残差条件为:连续性方程1×10-6;动量方程1×10-6;k-ε方程1×10-7;能量方程1×10-8。

图3 部分网格结构示意图

2 算法的验证

图4 计算结果与实验数据的对比

为考核本文物理模型及数值方法的可靠性,应用Laminar、RNGk-ε和标准k-ε模型,对文献[1]提供的实验数据及算法进行了验证,计算结果与文献[1]实验数据的对比示于图4中。由图可知,标准的k-ε模型所得的翅片表面平均Nu与实验结果的误差最小;RNGk-ε模型得到的阻力系数f误差最小；而标准k-ε模型与RNGk-ε模型的结果很接近。标准k-ε模型得到的翅片表面平均Nu以及阻力系数f与实验结果的最大误差分别为15%和10%,符合一般的工程应用要求,可以认为本文采用稳态标准k-ε湍流模型以及数值方法是合理可靠的。

3 计算结果及分析

3.1 翅片表面平均及局部的努塞尔数

图5 翅片表面平均Nu与Re的关系图

翅片表面平均Nu能直观表示翅片的换热效果,也是工程实际中需要提供的重要参数。翅片表面平均Nu随Re的变化关系示于图5。由图可知,随着Re的增加,翅片间流体扰动强度增强,换热器通道内的流动及热边界层减薄,使得翅片表面平均Nu得以提升,但提升的幅度逐渐减缓,这意味着通过增加Re来增加换热量的效果是有限的;另外,平均Nu值的大小不仅与翅片中波纹翅片面积的比例有关,而且还与波纹翅片所处的位置有关。几种翅片表面平均Nu值的排序为:B-B>B10P4>B6P8>P4B10>P8B6。该顺序表明,在波纹翅片所处位置一致的情况下,波纹翅片面积占的比例越大,其换热能力越强,而且波纹布置在翅片入口段对Nu值提升显著；平直-波纹翅片中波纹位置变化的影响比波纹翅片占整个翅片面积比例多少的影响更显著；位于翅片起始段较少的波纹翅片(B6P8)比位于翅片末段较多翅片(P4B10)换热效果好,以较小的换热面积(AB6P8

式中：B为y方向上翅片宽度；Nu(x,y)为翅片表面的局部Nusselt数。

图6给出了5种不同结构复合翅片椭圆管外空气入口流速为3 m/s时Nu(x)的变化。由图可知,椭圆管迎风侧翅片前缘部分的Nu(x)急剧变大,而后沿空气流动方向逐渐减小,这是由于流动及热边界层逐渐增厚,换热热阻增大之故;椭圆管背风侧由于尾流区的存在使此处Nu(x)降到最小。另一方面,空气沿主流方向流动过程中不断被加热,使其与翅片表面的温差逐渐减小,从而使翅片的换热强度逐渐下降;同时由于波纹扰流对换热增强的作用也逐渐下降,致使在翅片末段为波纹翅片与平直翅片的Nu(x)值相差甚小,表明在翅片末段采用波纹强化换热的收效甚小;而此处采用波纹翅片却会使总压降大大增加(见下文)。为此,复合翅片末段采用平直翅片较为合理。

图6 翅片宽度方向平均Nu(x)沿主流方向的变化

3.2 平直-波纹偏心翅片椭圆管进出口压降

图7给出了波纹翅片椭圆管和4种平直-波纹复合翅片椭圆管外通道内空气进出口压降Δp随Re变化的关系。可以看出,波纹翅片椭圆管外通道内流体压降Δp最大,而4种复合翅片椭圆管中流体的压降与波纹所占比例的多少有关,随复合翅片中波纹翅片比例的增多,其Δp逐渐增加;复合翅片中波纹所处的位置对Δp的影响甚微。

图7 波纹翅片椭圆管的压降Δp与Re关系图

3.3 综合性能分析

图8 综合性能指标j/f 随Re的变化关系

换热器设计的宗旨是希望在较低的压力损失下获得较高的换热量,要考虑换热增强的同时使得阻力损失增大的影响,即对换热器综合性能进行评估。本文采用参数j/f作为评价指标,此值越大,意味着在同样的泵功条件下完成同样的换热量所需的迎风面积越小。不同翅片管结构j/f随Re的变化见图8所示。由图可见,所研究的翅片管换热器的j/f值均在Re≈1 328的附近出现最大值,随后j/f急剧下降,其中B-B型翅片管的j/f下降平缓,表示适当增大Re可改善综合换热性能,但Re对B-B型翅片管综合性能的影响程度相对较小;不过Re较大时,B-B型翅片管翅片末段波纹扰动的强化作用还是值得考虑的。在Re<1 328时,B-B型翅片管换热器的综合性能最差,将部分波纹翅片用平直翅片取代可使综合性能提高。随着复合翅片波纹翅片占有比例的增加,其综合性能逐渐降低;此外,复合翅片中波纹翅段所处位置的不同,综合性能也有明显差异,同样比例的波纹翅片置于翅片前段比置于末段的效果好。其中,由翅片末段为8个波长的平直翅片形成的复合波纹椭圆管的综合换热性能最优(B6P8)。

为了更好地比较复合翅片与波纹翅的性能,图9提供了以B-B型翅片管传热因子j及阻力系数f为基准的复合翅片管j与f的相对值随Re的变化。在Re<1 328时,平直-波纹复合翅片椭圆管换热器的综合换热性能优于波纹翅片管换热器的性能,其比值均大于1;在换热量相同的条件下,B6P8型复合翅片椭圆管换热器所需迎风面积最小。

图9 B-B翅片管j与f随Re的变化关系

4 结论

通过对波纹及平直-波纹复合翅片偏心椭圆管外翅片间空气流动与换热特性的数值模拟计算,得到如下结论:

1) 翅片表面Nu和翅片通道内空气进出口压降Δp均随Re的增加而增大,但翅片表面平均Nu随Re增加的幅度逐渐减缓,而压降Δp增加的幅度却逐渐增大;此外,复合翅片中波纹段所处的位置对椭圆管换热器的换热强度的影响显著,但对压降Δp的影响甚微;复合翅片中波纹段所占比例的多少是影响Δp的关键因素。波纹翅片椭圆管换热器的换热效果最好,但相应的压力损失最大。

2) 翅片宽度方向平均Nu(x)沿流动方向变化主要发生在翅片的起始段,不同结构翅片末段Nu(x)相差较小,但压力损失变化明显,因此翅片末段不宜采用波纹型结构。

3) 几种翅片椭圆管换热器的综合性能j/f在所研究的Re范围内均有最佳值产生,适当增大Re可改善综合换热性能;波纹翅片被部分平直翅片取代可使综合性能提高;波纹翅片在复合翅片占有比例越多,其综合性能越低。

4) 研究的Re范围内,B6P8型复合翅片椭圆管换热器的综合性能最佳;在Re<1 328时,平直-波纹复合翅片椭圆管换热器的综合换热性能优于B-B型翅片管换热器的性能。

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(编辑：庞富祥)

Numerical Study of Air Flow and Heat Transfer Characteristics on the Outside of Combined Plane-wavy Fin-and-oval Tube

YIN Jixiang1,MA Jianzong1,WU Guangjian1,GAO Yuan2

(1.CollegeofElectrical&PowerEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024，China;2.ShenzhenandTaiyuanMaterialTechnologyCompany,Shenzhen518057，China)

A 3-D steady and turbulent numerical simulation was employed to investigate the flow and heat transfer characteristics of air,having constant properties,in fin-and-oval tube heat exchangers with wavy fin or wavy-plain combined fin. The investigation reveals the effect of air inlet velocity or Reynolds number (Re),wavy fin proportion and location in the combined fin on the average Nusselt number (Nu) of the whole fin surface, the pressure loss(Δp) and the coefficient of performance (j/f). It is found that, within the studiedRerange,the wavy location in conbined fin has a significant influence on the Nu,but has little effect on the Δp; however, the wavy fin proportion is a key factor for the Δp. The change of average Nusselt number in the width direction(Nu(x)) along flow direction occurs mainly at the fin leading edge,and theNu(x) has a smaller difference at the fin rear section for different fin configurations.So it is more suitable to locate plain fin to the rear section rather than wavy fin, which can further reduce the pressure loss penalty while maintains the enhanced heat transfer. For all studied objects,the optimumj/fcan be achieved.The finned oval tube heat exchanger with a combination of 6 wavelength wavy fin and 8 wavelength plain fin arranged along flow direction has maximumj/fvalue.

plane-wavy fin;finned oval tube;local heat transfer characteristic;coefficient of performance

1007-9432(2015)04-0455-06

2015-01-16

国家自然科学基金面上项目:日光温室动态热湿环境作用下土壤-空气换热器热湿传递规律及数理模型研究(51476108);山西省自然科学基金资助项目:翅片管换热器结构参数对流与换热性能影响的机理研究(2012001024-4)

阴继翔(1964-),女,山西平遥人,博士,副教授,主要从事对流换热强化及新型换热设备开发研究,(Tel)13485362659

TU832.3

A

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2015.04.019