雙開縫翅片空氣側換熱和流動特性的數值模擬

魏 雙 鄭傳祥 何建龍 馮苗根

(1.浙江大學化工機械研究所；2.杭州杭氧換熱設備有限公司)

雙開縫翅片空氣側換熱和流動特性的數值模擬

魏 雙*1鄭傳祥1何建龍2馮苗根2

(1.浙江大學化工機械研究所；2.杭州杭氧換熱設備有限公司)

利用數值耦合傳熱計算方法研究了四排管雙開縫翅片管式換熱器的傳熱特性和阻力特性，獲得翅片附近空氣的速度場和溫度場，分析了開縫對翅片管換熱器換熱性能的影響。并針對翅片間距和開縫高度對翅片管換熱性能的影響進行了數值模擬分析，得到了開縫高度和翅片間距針對換熱系數的最佳組合。

換熱器 換熱性能 雙開縫翅片 翅片間距 開縫高度

翅片開縫是一種有效的強化空氣側傳熱的方法。國內外對開縫翅片傳熱與流動阻力進行了大量的實驗和數值仿真研究。Jeom-Yul Yun和Kwan-Soo Lee針對開縫翅片的翅片間距、縫高、縫長及開縫數目等7個結構參數進行了三倍放大模型的正交實驗，研究表明，翅片間距對換熱性能的影響最大[3]。Hiroaki K等對X形排列的開縫翅片進行了實驗比較，表明這種翅片具有較好的換熱性能[4]。Yonghan Kim和Yongchan Kim通過實驗研究得知平直翅片的翅片間距從15.0mm減少到7.5mm時換熱性能降低[5]。由于開縫翅片流動傳熱的復雜性，其實驗研究具有很大的局限性，因此與開縫翅片結構尺寸參數有關的數值模擬研究仍處于發展過程中[6]，如屈治國等對3種開縫翅片進行了數值模擬，并應用場協同原理解釋后開縫翅片比前開縫翅片優越的原因[7]。

筆者利用fluent軟件對四排管雙開縫翅片管式換熱器的換熱特性和阻力特性進行數值模擬研究，比較這種翅片管換熱器相較于平直翅片管換熱器的優勢，分析雙開縫翅片的翅片間距和開縫高度對換熱器換熱特性和阻力特性的影響，為進一步的工程實踐應用提供參考。

1 數值模擬

1.1 物理問題描述和控制方程

筆者的模擬對象為翅片管，管內的冷卻水與翅片間的熱空氣進行強制對流換熱，翅片和管子之間導熱。根據換熱器結構的對稱性和周期性，選取兩翅片之間的空間進行模擬，考慮到回流的問題，在流動方向兩端都做相應的延長，三維計算區域選取如圖1虛線所示部分[8]。由于模擬空氣的馬赫數小于0.3，因此，模型確定為三維不可壓縮、穩態、常物性的紊流控制方程。數值模擬參數如下：

翅片間距 1.8、2.0、2.2、2.5、3.0mm

管子外徑 19.5mm

橫向/縱向管間距 25mm

開縫寬度 2mm

開縫高度 1.25、1.50mm

管排數 4

牛羊用顆粒飼料主要是精料補充料顆粒飼料。與豬雞飼料構成不同的是，牛羊精料補充料中常含有較高比例的高纖維原料，如DDGS、麥麩、米糠、大豆皮、苜蓿草粉、甜菜粕等，這些原料吸水性較差，調質目標水分值低，因而需要采用較高的蒸汽壓力（0.25～0.4 MPa），較小的蒸汽量，較長的調質時間。可以采用調質器（80～85 ℃，20～30 s）+保持器（45～90 s）+制粒的一次制粒工藝。

翅片厚度 0.2mm

圖1 雙開縫翅片管三維計算區域示意圖

1.2 網格劃分和邊界條件設置

為了在保證一定計算精度的同時節省運算時間，在入口段和出口段采用結構化網格，在復雜的翅片附近采用六面體非結構網格，在管壁處對網格進行加密，翅片表面劃邊界層(圖2)。在檢查網格獨立性后采用網格數為40～50萬。

圖2 計算模型網格

假設管壁溫度為常數288K，翅片溫度由耦合計算得到。耦合傳熱計算設置管子的導熱系數為無窮大，以保證管壁溫度為常數。流體入口溫度為373K，進口風速V為1～10m/s。計算區域邊界條件如圖3所示。

圖3 計算區域邊界條件

1.3 計算變量

2 模擬結果與分析

2.1 開縫對翅片管的影響

針對平直翅片和雙開縫翅片，通過數值模擬得到兩者在進口風速V=10m/s時翅片表面附近空氣的速度場和溫度場(圖4、5)。從圖4可以明顯看出，雙開縫翅片相比于平直翅片，管后的間斷縫使尾流區不同程度地遭到了破壞，空氣的主流通道得到擴展。圖5顯示雙開縫翅片表面高溫區域的面積比平直翅片表面高溫區域的面積大，而且前者等溫線密集。這是由于主流通道的擴展使得熱空氣把更多熱量傳遞給翅片表面，使翅片表面溫度更高，從而使翅片管獲取更好的換熱效果。翅片上的開縫結構不僅能加強空氣擾動，擴展空氣的主流通道，還能使翅片空氣的邊界層分層發展，有效減薄了邊界層厚度，從而起到強化傳熱的作用。

a. 平直翅片 b. 雙開縫翅片

a. 平直翅片 b. 雙開縫翅片

圖6為平直翅片和雙開縫翅片的換熱系數、阻力系數曲線。可以看出，雙開縫翅片的換熱系數比平直翅片高25%，但開縫會導致流動阻力迅速增加，而空氣側阻力系數的增加程度低于23%。綜合考慮對換熱系數和阻力系數的影響可知，翅片開縫提高了換熱器的換熱性能。

a. 換熱系數

b. 阻力系數

2.2 翅片間距和開縫高度對翅片管換熱器性能的影響

當換熱器的空氣進口速度較小時，邊界層較厚，翅片間距和開縫高度對換熱性能的影響明顯。平直翅片管翅片間距減小，換熱效率升高；而雙開縫翅片管翅片和縫條的相對高度也對空氣流動邊界層的破壞程度有影響，從而影響整體的換熱效率。

筆者在進口流速V為2～4m/s范圍內，對開縫高度為1.50mm，翅片間距分別為2.0、2.2、2.5、3.0mm和開縫高度為1.25mm，翅片間距分別為1.8、2.0、2.2、2.5mm的雙開縫翅片換熱性能進行數值模擬，計算結果如圖7所示。

a. 開縫高度1.50mm

b. 開縫高度1.25mm

由圖7可知，除個別特例以外，換熱系數大體上隨翅片間距的減小而提高。在開縫高度為1.50mm時，翅片間距為2.2mm的換熱系數最大；開縫高度為1.25mm時，翅片間距為2.0mm的換熱系數最大。顯然，對于雙開縫翅片來說，最佳換熱系數的翅片間距與開縫高度有關，一般取高于開縫高度0.7mm左右。由圖8可看出，隨著翅片間距的減小，翅片的阻力系數增大。因此，兼顧換熱系數和阻力系數，雙開縫翅片管間距的取值應考慮開縫高度的影響。

a. 開縫高度1.50mm

b. 開縫高度1.25mm

圖9為進口流速V=3m/s，翅片開縫高度分別為1.25、1.50mm時，換熱系數和阻力系數隨翅片間距的變化曲線。從圖9a可以看出，換熱系數隨翅片間距的變化趨勢受開縫高度的影響；從圖9b可看出，開縫高度越大翅片的阻力系數越大。

a. 換熱系數

b. 阻力系數

3 結束語

筆者通過對平直翅片和雙開縫翅片運用fluent進行耦合傳熱數值模擬，得出了兩種翅片附近空氣的速度場和溫度場分布情況；同時針對翅片間距和開縫高度這兩個結構參數對翅片管換熱性能影響進行了數值模擬分析，由此可知：翅片開縫能提高管后空氣的流速，使空氣的主流通道得到擴展，在相同的雷諾數下，雙開縫翅片的換熱系數比平直翅片高25%，空氣側阻力系數的增加低于23%。總而言之，開縫能提高翅片的綜合換熱性能；對于雙開縫翅片，增加翅片間距，阻力系數會減小，換熱系數大體呈遞減趨勢，但當翅片間距取大于開縫高度0.7mm時,換熱系數能達到最高；開縫高度對換熱系數的影響隨翅片間距的不同而不一樣，但開縫高度增大，阻力系數會增大。

[1] 崔海亭，彭培英.強化傳熱新技術及其應用[M].北京：化學工業出版社，2002.

[2] Mattarolo L.Recent Development in Finned Tube Heat Exchangers: Theoretical and Practical Aspect：DTI，Energy Technology，Po Box 141，DK-2630 Taastrup，Denmark[J].International Journal of Refrigeration，1994，17(5)：359～362.

[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.

[7] 屈治國，何雅玲，陶文銓.平直開縫翅片傳熱特性的三維數值模擬及場協同原理分析[J].工程熱物理學報，2003，24(5)：825～827.

[8] 陶文銓.數值傳熱學[M].西安：西安交通大學出版社，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 雙，女，1990年2月生，碩士研究生。浙江省杭州市，310027。

2015-01-29，

2016-01-06)