傾斜波紋翅片振蕩流熱管的三維數值模擬研究

邵敏，員冬玲，蔡中盼，李選友

(山東省科學院工業節能研究中心，山東 濟南 250103)

振蕩流熱管是一種新型高效傳熱元件，是由長的毛細管彎曲成的蛇形管路，由若干細直管道和若干彎頭組成。當管徑足夠小時，在真空下封裝在管內的工質在管內形成液、汽相間的柱塞。由于汽液柱塞交錯分布，因而在管內產生強烈往復振蕩運動，從而實現高效熱傳遞。這種熱管具有優良的傳熱性能，結構簡單，可以隨意彎曲以及采用不同的加熱方式和加熱位置等，較傳統熱管具有明顯優勢［1］。

由于振蕩流熱管的管徑比較小，在換熱器中排列密度大，以致熱量不易散出，因此對其采取強化傳熱措施是十分必要的。在振蕩流熱管管外增加翅片可以極大地提高熱管換熱面積，尤其是在與氣體進行換熱的過程中可以有效地增強換熱效果。波紋翅片是一種增加擾流、強化傳熱的有效翅片，目前在國內外已有很多研究。李祺等［2］對均勻傾斜波紋翅片和傾角漸增傾斜波紋翅片的流動和傳熱過程進行了研究，發現波紋翅片比平板翅片具有較好的傳熱效果;Goldstein 等［3］研究發現波紋翅片換熱器傳熱系數比平板翅片高45%;Jang 等［4］研究了波紋翅片的高度和角度對其流動和換熱的影響;高強等［5］通過實驗得出了波紋翅片換熱器的總傳熱系數關聯式以及阻力特性公式;周俊杰等［6］對平板翅片和三角形波紋翅片的傳熱特性進行了數值模擬研究。但相關文獻對帶翅片的振蕩流熱管的流動及傳熱研究較少，本文對平板翅片振蕩流熱管和不同傾角的波紋翅片振蕩流熱管表面流體的流動和傳熱情況進行了數值模擬研究及分析。

1 物理模型與數值計算方法

1.1 物理模型

本文研究的平板翅片和傾斜波紋翅片振蕩流熱管的示意圖見圖1，模擬區域為6 排順排排列的振蕩流熱管，計算區域的側面圖和俯視圖分別見圖2。數值模擬參數見表1。

圖1 翅片管示意圖Fig.1 Illustration of finned tubes

圖2 計算區域示意圖Fig.2 Illustration of computational domain

翅片模型基于以下基本假設:(1)輻射換熱忽略不計;(2)忽略翅片和振蕩流熱管外壁面的接觸熱阻，認為翅片根部溫度和管外壁面溫度相同;(3)不考慮振蕩流熱管軸向的傳熱，只考慮通過翅片的換熱;(4)翅片的導熱系數為常數。

1.2 數值計算方法

對本文所模擬的三維翅片振蕩流熱管模型的控制方程如下:

表1 數值模擬參數Table 1 Numerical simulation parameters

在Gambit 中建立模型并劃分網格，網格選擇四面體網格。計算采用三維湍流模型，壓力-速度耦合采用SIMPLE 算法，動量方程和能量方程均采用二階迎風差分格式。由于振蕩流熱管內的傳熱系數非常高，認為振蕩流管壁溫度是恒溫的。進口速度和溫度一定，出口為壓力自由出口，模型兩側面設為對稱邊界條件，上下表面為周期性邊界條件。

2 模擬結果及分析

2.1 溫度分布

4 種不同傾角的翅片空氣流道中心平面溫度分布見圖3。可以看到，平板翅片流體溫度場分布非常均勻，呈分層波紋狀，溫度變化比較平坦，流體與翅片的換熱過程比較柔和;隨著翅片傾角的增加，由于傾角波紋翅片的表面起伏變化，流體在流道內所受擾動越來越強，溫度場分布越來越紊亂，流體與翅片的換熱也越來越強烈。從圖中可以看出，平板翅片出口處通道中心的流體與靠近管壁處流體溫差相差很大，傾角30°時出口處的流體溫度差已經明顯減小，而當傾角為45°時，出口處流體溫度分布已經非常均勻。同時，傾角波紋翅片增加了流道的長度，延長了流體與翅片的接觸時間，也在一定程度上增強了傳熱。數值計算可得到，傾角為0°、15°、30°、45°時的流體出口溫度分別為323.1 K、324.6 K、326.5 K、328.2 K，即隨著傾角的增大，出口溫度升高，換熱效果得到增強，但傾角增大的同時也增加了沿程阻力損失。

圖3 4 種不同傾角的翅片空氣流道中心平面溫度分布云圖Fig.3 Temperature contours

圖4 4 種不同傾角翅片的空氣通道中心平面速度分布Fig.4 Velocity distribution

2.2 速度分布

不同傾角翅片的空氣通道中心平面速度矢量分布圖如圖4 所示。從圖中可以看到，平板翅片的速度變化平緩，傾角波紋翅片流體速度變化比較劇烈，且劇烈程度隨著傾角的增加而增強，尤其是在翅片拐角處，流體速度分布比較密集且變化劇烈，這主要是由于翅片起伏引起流體上下波動。因此傾角翅片在增強換熱的同時也會增大壓力損失。

2.3 換熱量和壓力損失

不同傾角翅片在相同進口條件下的換熱量和壓力損失分別如圖5，6 所示。從圖5 中可以看出，換熱量隨著翅片傾角的增加而增大，這是由于隨著傾角的增加，流體受因翅片形狀引起的擾動越來越強，而且隨著傾角的增加，與流體進行換熱的翅片表面積也增大，同樣起到了增強換熱的效果。但這并不意味著翅片傾角越大越好，從圖6 可以看到，壓力損失也是隨著翅片傾角的增加而增大的，當傾角達到45°時壓力損失已經達到53.7 Pa，是平板翅片壓力損失的5.6 倍，其增加的比率遠大于換熱量的增幅。

圖5 不同翅片傾角下的流體換熱量Fig.5 Heat exchange capacity of different fin declined angles

圖6 不同翅片傾角下的壓力損失Fig.6 Pressure loss of different fin declined angles

3 結論

通過對4 種傾角翅片振蕩流熱管的數值模擬，得到了不同傾角翅片的溫度和速度分布。結果表明，波紋翅片可以加大流體通道的長度，增強流體的湍流強度，使氣流充分混合，因此其傳熱性能遠高于平板翅片，但也同時造成了壓力損失的增加。因此在實際工程應用中要綜合考慮以上因素，根據實際需要選擇合適的翅片振蕩流熱管。

［1］馬永錫，莊駿，張紅.振蕩熱管——一種新型獨特的傳熱元件［J］.化工進展，2004，23(9):1008 -1009.

［2］李祺，孫鐵，張素香，等.熱管傾斜波紋翅片強化傳熱三維數值模擬與分析［J］.當代化工，2011，40(8):862 -865.

［3］GOLDSTEIN L J，SPARROW E M.Experiments on the transfer characteristics of a corrugated fin and tube heat exchanger configuration［J］.J Heat Transfer，1976，98(1):26 -34.

［4］JANG J Y，CHEN L K.Numerical analysis of heat transfer and fluid flow in a three-dimensional wavy-fin and tube heat exchanger［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，1997，40(16):3981 -3990.

［5］高強，王秋旺，王家貴.正弦波紋翅片表冷器的傳熱及阻力特性實驗研究［J］.制冷學報，2007，28(5):1 -5.

［6］周俊杰，徐國權，張華俊.FLUENT 工程技術與實例分析［M］.北京:中國水利水電出版社，2010:222 -244.