翅片管换热

纵向涡发生器对圆形翅片管换热强化的影响

信息来源:山西曙光煤焦集团作者:于恩播,孙铁,张素香更新日期:14-03-28 点击:

    摘要:利用CFD计算软件FLUENT对带有纵向涡发生器的圆形翅片管的流体流动和传热过程进行数值模拟,并与普通圆形翅片管加以对比。结果表明,带有纵向涡发生器的翅片管换热效果明显优于普通翅片管。应用场协同原理解释认为,纵向涡发生器使流体速度和温度梯度之间夹角减小,改善了速度场和温度场的协同性,从而增强了换热效果。
    

    常见的管翅式换热器翅片侧介质多为气体,而气体侧热阻占总热阻的70%以上,因此,减小气体侧热阻,强化气体侧传热,对换热器换热效率的提高有着重要的意义。   翅片管换热器,就是在管的外表面或内表面带有各种形状的翅片,特别在对流传热系数小的一侧采用翅片对提高总传热系数更是有效[1]。然而传统翅片管只考虑通过增加翅片或改变翅片样式来增大换热面积从而提高换热效率,都很难改变流体流动方向与温度梯度之间夹角几乎垂直的情况,也就是速度与温度梯度间的协同性较差。在翅片表面上设置纵向涡发生器可以扰动流场使流体产生旋转,是一种比较有效的强化换热途径。在翅片上加装纵向涡发生器不仅可以推迟因圆柱绕流而造成的边界层脱离,使流体与管体接触换热更为充分,并且可以产生二次流改变速度场和温度场的分布,导致速度方向与温度梯度方向夹角减小,换热效率得到很大提高,同时由于纵向涡发生器易于加工,所以,近十多年中对纵向涡强化换热的研究日益得到重视。在武俊梅等[2]的研究中,认为冲角为45°的三角形小翼纵向涡发生器强化换热效果较好,而冲角为30°时压降较小。楚攀等[3]将纵向涡发生器应用于椭圆管翅片换热器上,与圆管翅片换热器对比发现其平均Num值提高32.4%。鹿世化[4]使用45°冲角的矩形小翼纵向涡发生器使翅片管的换热增加10.4%~24.6%,同时压力损失增加30.5%~57.2%。
    现阶段很多学者对管板式翅片上加装纵向涡发生器进行了深入的实验研究,本文将对加装纵向涡发生器的圆形外翅片管管外流体流动及换热强化进行数值模拟及分析,应用场协同原理来进一步揭示纵向涡强化换热机理,为圆形翅片管强化传热的设计提供一些理论依据。
    1·物理模型与数值计算方法
    1.1 物理模型
    纵向涡发生器通常可以分为以下4种:三角翼、矩形翼纵向涡发生器和三角翅、矩形翅纵向涡发生器。另外,半球形突起后面也可以形成一对纵向涡[5]。在前文中提到,单就换热角度考虑,攻角为45°的三角翼要好于30°的三角翼。故本文采用三角翼型纵向涡发生器,设定攻角为45°。鉴于文献[6]针对顺排管方式进行研究,本文选取换热管排列方式为正三角形排列,以期得到相关数据,作为该类型换热管研究的补充。图1为带纵向涡发生器的圆形翅片管换热器示意简图,由于模型结构的对称性,选取图1(a)中虚线间区域为计算单元,图1(b)为三角翼型纵向涡发生器在圆形翅片间的位置,图1(c)给出了三角形小翼在圆形翅片上的分布情况。三角形小翼和翅片管的详细尺寸见表1。本文在计算时对模型基于以下基本假设:①翅片导热系数认定为常数;②翅片高度远大于翅片厚度,认为翅片厚度方向不存在温度梯度;③热量通过对流方式散入空气中,忽略热辐射对传热的影响。
    
    
    1.2 数值计算控制方程
    设定换热过程为稳态,压力速度耦合采用SIMPLE方法,换热管表面设定为恒定温度,翅片与流体温度耦合。控制方程包括三维、稳态常物性的连续性方程、动量方程和能量方程[6-8]:
    
    其中,ui和uk分别是速度矢量u 在i,k方向上的分量,ρ 为流体密度,η 为动力黏度,λ 为流体传热系数,T 为温度,cp为比热容,p 是流体微元上的压力。
    1.3 边界条件   考虑到翅片厚度等因素的影响,计算单元入口处的速度会分布不均匀,所以将计算区域沿上游延长翅片净间距10倍,同时为使出口边界条件充分发展,计