双开缝翅片空气侧换热和流动特性的数值模拟

魏 双 郑传祥 何建龙 冯苗根

(1.浙江大学化工机械研究所；2.杭州杭氧换热设备有限公司)

双开缝翅片空气侧换热和流动特性的数值模拟

魏 双*1郑传祥1何建龙2冯苗根2

(1.浙江大学化工机械研究所；2.杭州杭氧换热设备有限公司)

利用数值耦合传热计算方法研究了四排管双开缝翅片管式换热器的传热特性和阻力特性，获得翅片附近空气的速度场和温度场，分析了开缝对翅片管换热器换热性能的影响。并针对翅片间距和开缝高度对翅片管换热性能的影响进行了数值模拟分析，得到了开缝高度和翅片间距针对换热系数的最佳组合。

换热器 换热性能 双开缝翅片 翅片间距 开缝高度

翅片开缝是一种有效的强化空气侧传热的方法。国内外对开缝翅片传热与流动阻力进行了大量的实验和数值仿真研究。Jeom-Yul Yun和Kwan-Soo Lee针对开缝翅片的翅片间距、缝高、缝长及开缝数目等7个结构参数进行了三倍放大模型的正交实验，研究表明，翅片间距对换热性能的影响最大[3]。Hiroaki K等对X形排列的开缝翅片进行了实验比较，表明这种翅片具有较好的换热性能[4]。Yonghan Kim和Yongchan Kim通过实验研究得知平直翅片的翅片间距从15.0mm减少到7.5mm时换热性能降低[5]。由于开缝翅片流动传热的复杂性，其实验研究具有很大的局限性，因此与开缝翅片结构尺寸参数有关的数值模拟研究仍处于发展过程中[6]，如屈治国等对3种开缝翅片进行了数值模拟，并应用场协同原理解释后开缝翅片比前开缝翅片优越的原因[7]。

笔者利用fluent软件对四排管双开缝翅片管式换热器的换热特性和阻力特性进行数值模拟研究，比较这种翅片管换热器相较于平直翅片管换热器的优势，分析双开缝翅片的翅片间距和开缝高度对换热器换热特性和阻力特性的影响，为进一步的工程实践应用提供参考。

1 数值模拟

1.1 物理问题描述和控制方程

笔者的模拟对象为翅片管，管内的冷却水与翅片间的热空气进行强制对流换热，翅片和管子之间导热。根据换热器结构的对称性和周期性，选取两翅片之间的空间进行模拟，考虑到回流的问题，在流动方向两端都做相应的延长，三维计算区域选取如图1虚线所示部分[8]。由于模拟空气的马赫数小于0.3，因此，模型确定为三维不可压缩、稳态、常物性的紊流控制方程。数值模拟参数如下：

翅片间距 1.8、2.0、2.2、2.5、3.0mm

管子外径 19.5mm

横向/纵向管间距 25mm

开缝宽度 2mm

开缝高度 1.25、1.50mm

管排数 4

牛羊用颗粒饲料主要是精料补充料颗粒饲料。与猪鸡饲料构成不同的是，牛羊精料补充料中常含有较高比例的高纤维原料，如DDGS、麦麸、米糠、大豆皮、苜蓿草粉、甜菜粕等，这些原料吸水性较差，调质目标水分值低，因而需要采用较高的蒸汽压力（0.25～0.4 MPa），较小的蒸汽量，较长的调质时间。可以采用调质器（80～85 ℃，20～30 s）+保持器（45～90 s）+制粒的一次制粒工艺。

翅片厚度 0.2mm

图1 双开缝翅片管三维计算区域示意图

1.2 网格划分和边界条件设置

为了在保证一定计算精度的同时节省运算时间，在入口段和出口段采用结构化网格，在复杂的翅片附近采用六面体非结构网格，在管壁处对网格进行加密，翅片表面划边界层(图2)。在检查网格独立性后采用网格数为40～50万。

图2 计算模型网格

假设管壁温度为常数288K，翅片温度由耦合计算得到。耦合传热计算设置管子的导热系数为无穷大，以保证管壁温度为常数。流体入口温度为373K，进口风速V为1～10m/s。计算区域边界条件如图3所示。

图3 计算区域边界条件

1.3 计算变量

2 模拟结果与分析

2.1 开缝对翅片管的影响

针对平直翅片和双开缝翅片，通过数值模拟得到两者在进口风速V=10m/s时翅片表面附近空气的速度场和温度场(图4、5)。从图4可以明显看出，双开缝翅片相比于平直翅片，管后的间断缝使尾流区不同程度地遭到了破坏，空气的主流通道得到扩展。图5显示双开缝翅片表面高温区域的面积比平直翅片表面高温区域的面积大，而且前者等温线密集。这是由于主流通道的扩展使得热空气把更多热量传递给翅片表面，使翅片表面温度更高，从而使翅片管获取更好的换热效果。翅片上的开缝结构不仅能加强空气扰动，扩展空气的主流通道，还能使翅片空气的边界层分层发展，有效减薄了边界层厚度，从而起到强化传热的作用。

a. 平直翅片 b. 双开缝翅片

a. 平直翅片 b. 双开缝翅片

图6为平直翅片和双开缝翅片的换热系数、阻力系数曲线。可以看出，双开缝翅片的换热系数比平直翅片高25%，但开缝会导致流动阻力迅速增加，而空气侧阻力系数的增加程度低于23%。综合考虑对换热系数和阻力系数的影响可知，翅片开缝提高了换热器的换热性能。

a. 换热系数

b. 阻力系数

2.2 翅片间距和开缝高度对翅片管换热器性能的影响

当换热器的空气进口速度较小时，边界层较厚，翅片间距和开缝高度对换热性能的影响明显。平直翅片管翅片间距减小，换热效率升高；而双开缝翅片管翅片和缝条的相对高度也对空气流动边界层的破坏程度有影响，从而影响整体的换热效率。

笔者在进口流速V为2～4m/s范围内，对开缝高度为1.50mm，翅片间距分别为2.0、2.2、2.5、3.0mm和开缝高度为1.25mm，翅片间距分别为1.8、2.0、2.2、2.5mm的双开缝翅片换热性能进行数值模拟，计算结果如图7所示。

a. 开缝高度1.50mm

b. 开缝高度1.25mm

由图7可知，除个别特例以外，换热系数大体上随翅片间距的减小而提高。在开缝高度为1.50mm时，翅片间距为2.2mm的换热系数最大；开缝高度为1.25mm时，翅片间距为2.0mm的换热系数最大。显然，对于双开缝翅片来说，最佳换热系数的翅片间距与开缝高度有关，一般取高于开缝高度0.7mm左右。由图8可看出，随着翅片间距的减小，翅片的阻力系数增大。因此，兼顾换热系数和阻力系数，双开缝翅片管间距的取值应考虑开缝高度的影响。

a. 开缝高度1.50mm

b. 开缝高度1.25mm

图9为进口流速V=3m/s，翅片开缝高度分别为1.25、1.50mm时，换热系数和阻力系数随翅片间距的变化曲线。从图9a可以看出，换热系数随翅片间距的变化趋势受开缝高度的影响；从图9b可看出，开缝高度越大翅片的阻力系数越大。

a. 换热系数

b. 阻力系数

3 结束语

笔者通过对平直翅片和双开缝翅片运用fluent进行耦合传热数值模拟，得出了两种翅片附近空气的速度场和温度场分布情况；同时针对翅片间距和开缝高度这两个结构参数对翅片管换热性能影响进行了数值模拟分析，由此可知：翅片开缝能提高管后空气的流速，使空气的主流通道得到扩展，在相同的雷诺数下，双开缝翅片的换热系数比平直翅片高25%，空气侧阻力系数的增加低于23%。总而言之，开缝能提高翅片的综合换热性能；对于双开缝翅片，增加翅片间距，阻力系数会减小，换热系数大体呈递减趋势，但当翅片间距取大于开缝高度0.7mm时,换热系数能达到最高；开缝高度对换热系数的影响随翅片间距的不同而不一样，但开缝高度增大，阻力系数会增大。

[1] 崔海亭，彭培英.强化传热新技术及其应用[M].北京：化学工业出版社，2002.

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[3] Jeom-Yul Yun，Kwan-Soo Lee.Influence of Design Parameters on the Heat Transfer and Flow Friction Characteristics of the Heat Exchanger with Slit Fins[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，2000，43(14)：2529～2539.

[4] Hiroaki K，Shinicki I，Osamu A，et al.High-efficiency Heat Exchanger[J].National Technical Report，1989，35(6)： 653～ 661.

[5] Yonghan Kim，Yongchan Kim.Heat Transfer Characteristics of Flat Plate Finned-tube Heat Exchangers with Large Fin Pitch[J].International Journal of Refrigeration，2005，28(3)：851～858.

[6] Shah R K.Progress in the Numerical Analysis of Compact Heat Exchanger Surfaces[J].Advances in Heat Transfer，2001，40(1)：579～ 599.

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[8] 陶文铨.数值传热学[M].西安：西安交通大学出版社，2001.

NumericalSimulationofHeatTransferandFluidFlowCharacteristicsatAir-sideofDouble-slottedFinSurface

WEI Shuang1, ZHENG Chuan-xiang1, HE Jian-long2, FENG Miao-gen2

(1.InstituteofChemicalMachinery,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China;2.HangzhouHangyangHeatExchangeEquipmentCo.,Ltd.,Hangzhou310013,China)

A numerical investigation of air-side heat transfer and fluid flow characteristics of a four-row finned tube heat exchanger with double-slotted fin surface was implemented to get air velocity and temperature field nearby the fins and to analyze the fin effect on the heat transfer performance of finned tube heat exchanger. Simulating and analyzing both fin pitch and slit height’s influence on the heat exchanger performance shows that the optimal combination of the fin pitch and slit height can be reached to improve heat transfer coefficient.

heat exchanger, heat exchange performance, slotted fin, fin pitch, slit height

TQ051.5

A

0254-6094(2016)01-0072-05

*魏 双，女，1990年2月生，硕士研究生。浙江省杭州市，310027。

2015-01-29，

2016-01-06)