平直翅片和開縫翅片換熱器特性的數值模擬

顧平道 楊彥武 竇中杰 姜冠宇

（東華大學環境科學與工程學院)

平直翅片和開縫翅片換熱器特性的數值模擬

顧平道*楊彥武 竇中杰 姜冠宇

（東華大學環境科學與工程學院)

翅片管式換熱器作為制冷和空調裝備中的一種重要設備，具有結構緊湊、制造簡單、適用范圍廣等特點，它的運行狀況直接關系到整個換熱系統性能的優劣。翅片管式換熱器空氣側傳熱性能以及速度場、溫度場分布對換熱效果的影響一直是國內外學者研究的重點。利用CFD技術對圓管平直翅片和圓管開縫翅片換熱器兩種形式下外部空氣與翅片的換熱效果進行了數值模擬。結果表明，圓管開縫翅片換熱器的換熱效果更好。

平直翅片 開縫翅片 數值模擬 換熱器 傳熱性能 流動

0 引言

換熱器是石油化工等工業中必不可少的工業設備，在能源緊缺的現今，其強化傳熱是各國研究人員為之奮斗的主要目標[1-2]。翅片管式換熱器具有承受高溫高壓、適應性強、工作可靠、制造簡單、生產成本低、選材范圍廣等優勢，因此在能源、化工、石油等行業得到了廣泛的應用[3]。翅片形狀對翅片管式換熱器的換熱特性有很大影響，本文基于Comsol Mutiphsics模擬軟件對圓管平直翅片和開縫翅片兩種形式換熱器進行數值模擬，通過可視化模擬結果對比兩種翅片形式的空氣流動傳熱特性。

1 模型介紹

本文所研究的翅片管式換熱器如圖1所示，其換熱器管材為光銅管，換熱片為普通鋁箔平直翅片和圓環扇面開縫翅片，翅片的基本尺寸如表1所示[4]。

圖1 換熱器平面尺寸

表1 翅片管換熱器結構尺寸

圖2 圓弧開縫翅片結構

2 建立模型

Comsol Mutiphsics中有一套完整的模型建立工具，可以在0D(主要是針對解偏微分方程)、1D、1D軸對稱、2D、2D軸對稱、3D建立任何形狀的物理模型，也可以通過其他軟件建立模型 （例如Autocad、Solidworks），然后導入到Comsol中。本文所研究的模型是用Comsol自身工具建立的模型，如圖3、圖4所示。

圖3 平直翅片最終幾何模型

圖4 開縫翅片最終幾何模型

2.1 定義材料

Comsol中有完整的材料庫，包含各個領域下或任何模塊中涉及的各種材料，對于一些特殊材料用戶也可以自己定義材料的屬性。

模型中的材料包括三種，即空氣、基管材料銅管、翅片材料鋁片，直接從材料庫中選取，如圖5所示。

圖5 定義材料

2.2 物理過程和邊界條件

此過程需要定義物理過程和邊界條件。首先需要定義在固體中傳熱、在氣體中傳熱和初始值，然后再定義邊界條件。具體的邊界條件設定如下：

（1）設定空氣域的進口面，如圖6中的Inlet，設置速度為2 m/s。設置入口Temperature 1，進入Temperature 1選定進口面，并設定溫度為定值Vin。

對此，吳努曾公開表示，“在我們國家內部有一撮機會主義小團伙，他們從來不論證事情的真相……他們把我們說成是英國人、美國人的工具，因為我們接受了英國和美國的援助。” [66]1952年7月19日，吳努在烈士節的公開講話中表示，緬甸將請蘇聯和中國提供沒有附加條件的經濟援助。[67]因此，如能與中蘇關系取得突破，獲得社會主義陣營的支持、援助，無疑會幫助緬甸政府化解反對派的指責和壓力。而且，加強同中蘇友好往來也正是緬甸國內左派的重要主張。1952年，緬甸計劃邀請周恩來總理訪緬，認為周此行將不僅駁斥國內反對派指責政府是英美工具的宣傳，而且會打擊反政府革命武裝的銳氣，使叛亂者改變對政府的態度。[68]

（2）設定空氣域的出口面，如圖 6中的Outlet，在Outlet的功能窗口中選定空氣的出口面，并設定邊界條件，即出口面壓力為0。

（3）設定熱流的出口面，如圖6中的Outflow 1，和空氣的出口面相同。

（4）設定4個圓管的壁面溫度。

（5）由于模擬單元為整張翅片的一個單元，在理想條件下可以設定翅片和空氣上下面為對稱邊界條件，如圖6中的Symmetry 1。

（6）由于模擬單元結構相同且重復出現，在理想條件下可以設定空氣兩面為周期性熱邊界條件和周期性速度邊界條件。例如，圖6中的Periodic Heat Condition 1和 Periodic Flow Condition 1。

2.3 網格剖分

本文研究的換熱器翅片可以分為三部分，即空氣、基管和翅片，而且研究區域的重要性由大到小為空氣、翅片、基管。因為模型中存在周期性熱邊界條件和周期性速度邊界條件，為了保證周期性邊界條件的準確性，周期性面上網格剖分必須完全一樣。為此，先在一個周期性面上剖分網格，如圖7中的Free Triangular 1，然后再利用網格的復制功能設置另一個周期性面，這樣就保證了兩個面網格剖分完全一樣。這兩個面的屬性設置在Size 1里面，屬性是最大元素面積為0.5 mm，最小元素面積為0.01 mm。

圖6 邊界條件

圖7 網格剖分

最大元素增長率為1.5，彎曲度分辨率為0.6，最窄區域的分辨率為0.5，其中彎曲度分辨率和最窄區域分辨率取值為0.1～1之間，而且越大對彎曲度和最窄區域進行剖分時，剖分越細，剖分質量越好。Free Triangular 2是對對稱面進行剖分，相應的 5個屬性值設置分別為 0.3、0.01、1.5、0.6、0.6。Free Tetrahedral 1是對空氣域進行剖分，相應的 5個屬性值設置分別為 0.4、0.01、1.6、0.7、0.8。Free Tetrahedral 2是對翅片和基管進行剖分，相應的 5個屬性值設置分別為 0.45、0.01、1.6、0.8、0.7。

2.4 使用求解器計算

Comsol中有許多求解器，根據不同的物理過程或者不同的模塊可以采用不同的求解器，例如穩態求解器 （分為線性和非線性）、瞬態求解器 （分為隱式方法和代數微分方程求解器）、特征值求解器 （特征頻率/模態分型、正規化解）、參數求解器（線性參數求解器和非線性參數求解器）、分離式求解器。耦合傳熱過程主要求的是穩態時的流速分布和溫度分布以及相關量，所以采用穩態求解器。

3 模擬結果及其可視化

3.1 速度場結果可視化

速度場的模擬結果如圖8、圖9、圖10所示。

圖8 開縫翅片的流速大小分布

圖9 開縫翅片的流動分布

圖10 平直翅片的流速大小分布

3.2 溫度場結果可視化

溫度場結果可視化主要是指翅片上的溫度分布可視化，如圖11所示。

圖11 翅片上的溫度分布

4 結果分析

（1）由圖8和10可知，對兩種翅片來說，冷卻流體速度最大處均分布在流通截面最小處，且靠近銅管壁處流速最大。這是因為在流體流量不變的情況下，流體流通截面面積減小而導致速度增大。

（2）比較圖8和圖10可知，開縫翅片速度場分布比平直翅片速度場分布更加均勻，對于開縫翅片沿著銅管壁和銅管壁正對面翅片邊界流體平均速度比平直翅片大。速度大意味著慣性力增強，黏性力減弱，而且速度大有助于沖刷邊界層，減小邊界層厚度，對強化換熱來說是有利的。

（3）由圖11可知，沿著流體流動方向，翅片的溫度越來越高。也就是說，隨著流體不斷加熱，溫度越來越高，換熱效果不斷下降。

（4）比較圖11（a）、 （b）可知，開縫翅片溫度分布比平直翅片溫度分布均勻，且開縫翅片表面平均溫度大于平直翅片，說明開縫翅片具有更好的傳熱性能。

綜上所述，開縫翅片比平直翅片具有更好的流動性能和傳熱性能。

5 結語

翅片管式換熱器作為制冷和空調裝備中的一種重要設備，具有結構緊湊、制造簡單、適用范圍廣等特點，它的運行狀況直接關系到整個換熱系統性能的優劣。翅片管式換熱器空氣側傳熱性能以及速度場、溫度場分布對換熱效果的影響一直是國內外學者研究的重點。本文利用CFD技術對圓管平直翅片和圓管開縫翅片換熱器兩種形式下外部空氣與翅片的換熱效果進行了數值模擬。結果表明，圓管開縫翅片換熱器的換熱效果更好。

[1]錢頌文，岑漢釗，江楠，等.換熱器管束流體力學與傳熱 [M].北京：中國石化出版社， 2002.

[2]過增元，黃素逸.場協同原理與強化傳熱新技術 [M].北京：中國電力出版社，2004.

[3]王云龍.翅片管式換熱器設計軟件開發及影響參數研究 [D].大連：大連理工大學，2013.

[4]劉東昊.圓弧型開縫翅片換熱器空氣側流動和傳熱特性的實驗研究與數值模擬[D].上海：東華大學，2012.

Numerical Simulation about Features of Plain Fin and Slotted Fin Heat Exchangers

Gu Pingdao Yang Yanwu Dou Zhongjie Jiang Guanyu

As an important component in refrigeration equipments and air conditioners,the finned tube heat exchanger has many advantages,such as compact structure,simple manufacture process and a wide range of application,and its running states directly influence the properties of the whole heat transfer system.The heat transfer performance of air side and the influence of velocity and temperature field distributions on heat transfer effect are always a research focus of scholars both at home and abroad.CFD numerical simulation is carried out for the heat transfer performance between outside air and two types of fins,tube plain fin and tube slotted fin.The results show that the heat transfer effect of tube slotted fin heat exchanger is better.

Plain fin;Slotted fin;Numerical simulation;Heat exchanger;Heat transfer property;Flow

TQ 051.5

2014-02-11）

*顧平道，男，1965年生，博士，副教授。上海市，201620。