基于COMSOL的波纹翅片传热特性数值仿真研究*

兰丽玲

(闽南理工学院 福建泉州 362700)

翅片管换热器是常见热交换器[1]，广泛应用于动力、建筑、医疗、空调制冷等领域，这种换热器因具有结构紧凑、便于加工、重量轻、经济效益好的优点，故在航空、汽车空调、石化、深低温宇宙航天部门等领域得到了越来越广泛的应用[2]。翅片管换热器有平直翅片、波纹翅片、打孔式翅片和百叶窗翅片[3]。波纹翅片管由于内流介质的流向在不断的改变从而充分湍流，提高了热量交换和传热效率[5]。理论表明对不同的进风口流速、不同厚度和不同波纹倾角的情况下翅片管道的波纹翅片的传热和流动特性进行数值模拟，比较翅片进口速度、翅片厚度、翅片波纹角对流动换热性能的影响，空气进口速度的增加，波纹翅片的f减少，而j因子增加。随着翅片厚度和波纹角度增加，j因子增长缓慢，而f因子增长较大。文章应用COMSOL软件构建正弦波翅片和人字波纹翅片模型，3种波纹角度和2种波纹厚度在3种流速情况下，对波纹片的换热器进行数值模拟，从获得的数据中选取换热性能最优的波纹片角度和波纹片厚度。

1 几何模型的构建

建立两种波纹翅片分别为人字形波纹翅片三维模型图(图1)和正弦翅片波纹三维模型图(图2)，均采以波纹角度为12°和波纹翅片厚度为0.1mm的波纹翅片，这两种波纹翅片材料均以铝为主，翅片管的材料则以铜材料为主[10]。波纹翅片换热器参数如表1所示。

图1 人字形波纹翅片三维模型图

图2 正弦波纹翅片三维模型图

表1 波纹翅片换热器参数

翅片厚度(mm)波纹角(°)铜管外径(mm)翅片材料翅片间距(mm)0.1126铝1.5156铝1.5186铝1.50.2126铝1.5156铝1.5186铝1.5

2 数学模型的建立

由于波纹管传热过程发生在管道内，从管道流过的流体为空气[11]，为了便于数值模拟，建立控制微分方程如下：

(1)连续性方程：

(1)

式中：u，ν，ω分别为x，y，z方向流速，m/s；ρ为流体密度，kg/m3。

(2)动量和能量守恒方程：

(2)

式(2)中：φ为通用变量；Γφ为广义扩散系数；Sφ为广义源项[12]。

考虑到模型的周期性和对称性，文章采用两排交叉的波纹管作为计算区域，这样对称交叉有益于传热效果，同时也便于整个数值模拟的计算[13]。模型入口设置为速度，出口设置为压降，空气进口速度分别为0.1m/s、0.2m/s、0.3m/s，方向沿x轴方向，空气进口温度313.15K，翅片和翅片管温度318.15K[14]。为了便于计算，将设置好的几何模型进行网格划分，网格划分选用物理场控制网格极粗化，以此来减少求解时间[15]。

3 数值模拟结果与分析

3.1 人字形波纹翅片在不同厚度、翅片角和入口速度下的温度场

人字形波纹翅片在不同厚度、翅片角和入口速度下的温度场如图3所示。

翅片角12°,厚度0.1mm翅片角12°厚度0.2mm翅片角15°厚度0.1mm翅片角15°厚度0.2mm翅片角18°厚度0.1mm翅片角18°厚度0.2mm

图3 人字形波纹翅片在不同厚度、翅片角和入口速度下的温度场

3.2 正弦波形翅片在不同厚度、翅片角和入口速度下的温度场

正弦波形翅片在不同厚度、翅片角和入口速度下的温度场如图4示。

翅片角12°厚度0.1mm翅片角12°厚度0.2mm翅片角15°厚度0.1mm翅片角15°厚度0.2mm翅片角18°厚度0.1mm翅片角18°厚度0.2mm

图4 正弦波形翅片在不同厚度、翅片角和入口速度下的温度场

由图4可以看出，当空气流过第一排管束时，沿着波纹片的左右方向有较大的温差。沿管束的迎风处，温度上升速度明显比较快，从中看出波纹翅片它独有的波纹起伏特点起到了一定的阻止和扰乱气流的作用，使温度场分布密集，且发生剧烈的的变化。而在管束的背风处，由于波纹翅片的扰动，使空气产生不稳定的回流，换热效果并没有管束迎风处明显。

3.3 人字形波纹翅片在不同厚度、翅片角和入口速度下的速度场

人字形波纹翅片在不同厚度、翅片角和入口速度下的速度场如图5所示。

翅片角12°厚度0.1mm翅片角12°厚度0.2mm翅片角15°厚度0.1mm翅片角15°厚度0.2mm翅片角18°厚度0.1mm翅片角18°厚度0.2mm

图5 人字形波纹翅片在不同厚度、翅片角和入口速度下的速度场

3.4 正弦波形翅片在不同厚度、翅片角和入口速度下的速度场

正弦波形翅片在不同厚度、翅片角和入口速度下的速度场如图6所示，不同厚度下的压力场如图7所示。

翅片角12°厚度0.1mm翅片角12°厚度0.2mm翅片角15°厚度0.1mm翅片角15°厚度0.2mm翅片角18°厚度0.1mm翅片角18°厚度0.2mm

图6 正弦波形翅片在不同厚度、翅片角和入口速度下的速度场

流速0.1m/s人字翅片角15°厚度0.1mm人字翅片角18°厚度0.1mm正弦波翅片角15°厚度0.1mm正弦波翅片角18°厚度0.1mm

图7 正弦波形翅片在不同厚度下的压力场

3.5 压力场

由速度场和压力场的仿真计算结果中可以看出：空气的速度沿流动方向逐渐下降，同时压力也跟着下降，当空气流过第一排铜管时，铜管的迎风处附近的压力会比较大，到第二排铜管时压力逐渐下降。而在铜管的背风处，速度会比较小，部分热量无法被带走，且会造成回流，所以前后温差较大，因此铜管背风处的换热效果最差。

3.6 波纹翅片倾角对流动换热特性的影响

由温度场、速度场、压力场图看出，波纹倾角为12°、厚度0.1mm、入口速度为0.1m/s时的波纹翅片，当空气从管道入口进入12°的翅片时，温度场和速度场变化不明显，传热过程比较缓慢；随着波纹倾角逐渐增大，空气所受的接触面倾度增大，造成空气的流动紊乱，且温度场和压力场的变化越来越明显。温度场图中的高温比较高的地方随着倾角的增加而开始变低。第一排管的迎风处温度相对于翅片角度的增加而增加。这是因为波纹翅片的高角度翅片和低角度翅片会因为空气的扰动提早获得热量或延迟获得热量。而在第一排管的背风处，因为有管道阻挡而造成换热不明显，波纹倾角增大时，管背风处的温度场也会受到气流的影响，从而减少管背风处的热量因受到阻挡而不得换热的情况，详见图8、图9和图10。

3.7 空气进口速度对流动换热特性的影响

以3种波纹倾角厚度为0.1mm的人字波纹翅片为参考对象，结合图5和图7空气分别以0.1m/s、0.2m/s、0.3m/s，从入口进入，当空气入口速度为0.1m/s时，3种波纹倾角的翅片换热量较低，且出口的温度变化相对不会很明显。但随着速度的增大，3种波纹倾角的翅片的换热量和出口温度变化也会越来越明显。

3.8 波纹翅片厚度对流动换热特性的影响

这次仿真计算主要以0.1mm和0.2mm厚度的波纹翅片为研究对象，波纹片的厚度增加会加剧空气与翅片之间的摩擦力，随着波纹片的增厚换热效果有细微的变化，但整体的变化并不会很明显。

3.9 人字形波纹翅片和正弦波纹翅片对流动换热特性的影响

在相同情况下，正弦波纹翅片的换热效果比人字波纹翅片要好，因为正弦波纹翅片的边界层分离较为不明显，换热效率没有人字波纹翅片来得低。由图5和图6可以看到，在空气热传导过程中，空气流速为0.1m/s时15°的人字波纹翅片空气通道中心面的压力降为328×10-3Pa大于正弦波纹翅片压力降319×10-3Pa，但是正弦波纹翅片的经济性会稍差。

4 结语

文章研究了波纹翅片换热器在不同结构下的流动换热情况，利用COMSOL仿真软件进行计算模拟，从而得到了不同类型的波纹翅片和它们不同的厚度、波纹倾角、进口速度分别对流动特性换热的产生的影响。对模拟结果的温度场和速度场进行分析，波纹片的倾角是整个换热过程中重要的参数，它通过改变流体的流动状态来影响整个通道的换热过程。通道的入口速度逐渐增加，波纹翅片的换热量逐渐增加，压力损失也会减小，但如果未在允许的速度范围内继续增加入口速度，会造气流接触不均匀，而减少换热量。

因此，综合各方面的因素分析，为达到整套系统的最优性能，通道的入口流速和波纹翅片的倾角必须在合理的参数内。对于不同类型的波纹翅片，在模拟计算中，以正弦波波纹翅片波纹角为18°且风速在0.3m/s时，是波纹翅片换热器换热效果最好的。