開槽對翅片換熱器換熱性能影響的數值模擬

張美鳳，賈世勛，何雪鴻

(1.煙臺龍源電力技術股份有限公司，山東煙臺 264000;2.石家莊良村熱電有限公司，石家莊 052165)

換熱器作為必不可少的換熱設備被廣泛用于石油、化工、電力、制冷、供暖等行業[1-3]。在部分換熱器中，換熱器一側是液體，另一側是氣體，而氣側的傳熱阻力往往遠大于液側的傳熱阻力，因此降低氣側熱阻成為了強化換熱器換熱能力的關鍵[4]。在氣側加裝翅片可以增大氣側的換熱面積，有效降低氣側熱阻。因此，在工程中，往往會對翅片進行開槽處理，以增大換熱器的換熱量。

目前關于開槽翅片的數值模擬較少，對于開槽翅片的尺寸和結構優化缺乏一定的理論依據。筆者采用FLUENT軟件對無縫翅片和開槽翅片進行了數值模擬，通過分析速度場、溫度場、換熱量和壓差等分析了開槽翅片強化換熱的原因，為翅片換熱的設計優化提供了理論依據[2]。

1 計算模型

1.1 物理模型

筆者針對無縫翅片和開槽翅片進行了數值模擬計算，翅片選用四排管，開槽方式為同向均勻開槽。圖1為翅片管束的示意圖，表1為兩種翅片的結構參數。沿管長方向的翅片結構尺寸和翅片間距是一樣的，因此在物理建模時只需對單個翅片進行建模。沿橫向管間距方向，由于翅片是對稱的，因此可以只取半個翅片。為了使翅片入口處空氣流場均勻，入口段延長了300 mm；為了消除出口的空氣回流，出口段延長了300 mm。由于水側傳熱系數較高，且管壁導熱率很大，因此假定管壁溫度Tw=310.85 K。而翅片的溫度分布則取決于管壁溫度和空氣溫度，屬于耦合換熱，因此翅片的邊界條件應設置為耦合邊界條件。空氣的入口速度為0.5 ～4.0 m/s，溫度恒定為289.15 K。由于流場和溫度場不會變化，因此計算的出口邊界設置為Outflow。

圖1 翅片管束示意圖

表1 翅片管束結構參數 mm

1.2 控制方程和計算方法

三維、穩態、常物性對流換熱控制方程可以表示為連續性方程、動量方程和能量方程。

連續性方程：

(1)

動量方程：

(2)

能量方程：

(3)

式中:ρ為流體的密度；u為流體的速度；μ為流體的動力黏度；p為流場的壓力；T為流場的溫度；λ為流體的導熱系數；cp為流體的比定壓熱容；i,k分別表示X，Z方向的組分。

筆者所采用的湍流模型為Realizablek-ε，用于翅片間空氣流場的計算。相比于Standardk-ε模型，前者采用了新的湍流黏度表達式，同時湍流耗散率是通過真實輸運方程推導出來的，在計算存在流體回流以及邊界層分離的湍流問題時結果更加可靠。方程組的離散采用了二階迎風格式，相比于一階迎風格式有著更高的求解精度。采用SIMPLE算法實現速度和壓力的耦合求解。FLUENT軟件的求解過程中，設定能量方程殘差低于10-8，其他方程殘差低于10-4。忽略了空氣的浮升力和輻射換熱。

1.3 參數定義

筆者所用無因次參數定義如下：

(4)

(5)

摩擦因數f用以描述空氣的壓降特性，可定義為：

(6)

式中：Δp為空氣通過整個翅片管束的壓降；L為翅片管束的長度；D為換熱管的外徑。

2 結果和分析

2.1 換熱量分析

圖2是翅片管壁換熱量隨入口空氣速度的變化關系。

圖2 換熱量隨入口空氣速度的變化

從圖2可以看出：對于兩種翅片，隨著入口空氣速度的增大，翅片管換熱量也隨之增大。對于開槽翅片，入口空氣速度越大，換熱量增長幅度越小。這是由于空氣速度較大時，空氣與翅片以及管壁的邊界層會變薄，降低近壁處的導熱熱阻；此外，較大的空氣速度能夠使得翅片附近的空氣溫度不會太高，增大了空氣和翅片之間的溫差，進一步增大了換熱量。隨著空氣速度增大，邊界層的變薄程度會降低，同時空氣和翅片間溫差的增大程度也會降低，使得換熱量隨空氣速度增加而增加的幅度變小。

圖3是努塞爾數隨雷諾數的變化關系。

圖3 努塞爾數隨雷諾數的變化

由圖3可以看出：和換熱量變化趨勢類似，Nu隨著Re升高而增大，相同Re下開槽翅片的Nu明顯高于不開槽翅片的。這是由于開槽能周期性地破壞流場的均勻性，會打破并重塑溫度邊界層，增大了流場中的紊流度，進而加強了換熱。

為了更好地說明開槽對翅片管束換熱性能的影響，圖4和圖5給出了兩種翅片的溫度云圖。從圖4和圖5可以看出：整個翅片的溫度分布并不均勻，沿著空氣流動方向，翅片溫度逐漸升高。這是由于隨著空氣流動，其吸熱量越來越多，因而溫度越高，與翅片表面的換熱量逐漸減少。翅片管附近溫度最高，離翅片管越遠溫度越低。在管束后面有個區域的翅片溫度較高，這是由于空氣沖刷管束后，會在管束后面形成一個尾流區域，該區域內空氣流速較小，換熱也較低，因而翅片溫度較高。當翅片開槽后，由于開槽對邊界層的破壞和重塑，使得翅片的換熱量增大，換熱更加均勻。因此，開槽翅片的溫度場分布相對于不開槽翅片會更均勻。

圖4 不開槽翅片的換熱特性

圖5 開槽翅片的換熱特性

2.2 流動特性分析

對于翅片管束，由于管束排列和翅片的影響，會使得管束間的流場較為復雜。

圖6為兩種翅片的壓降隨入口空氣速度的變化關系，圖7為兩種翅片的摩擦因數隨雷諾數的變化關系。從圖6中可以看出：隨著入口空氣速度增大，兩種翅片的進出口壓差也越大。入口空氣速度較低時，兩種翅片的進出口壓差相差不大，這是由于低流速時，空氣流過開槽翅片時流場和速度邊界層被破壞得較小，邊界層空氣和主流區空氣混合較少，沒有較多的渦流、紊流等形成，使得壓力損失和不開槽翅片相差不大。當入口空氣速度增大時，開槽翅片管間的空氣擾動會更加強烈，因而會形成更多的紊流、渦流等，最終使得開槽翅片有著更大的壓力損失。

圖6 壓降隨入口空氣速度的變化

圖7 摩擦因數隨雷諾數的變化

圖8和圖9為兩種翅片在入口空氣速度為3 m/s時的壓力云圖。從圖8和圖9可以看出：沿著空氣流動方向，空氣的壓力損失逐漸增大，在空氣流經管壁前后，有著較大的壓降產生，這是由于空氣流經管壁時遇到較大的阻力并產生擾流造成的。對比圖8和圖9可以明顯看出：開槽翅片的壓降明顯高于不開槽翅片，沿著空氣流動方向，開槽翅片壓力下降速度更為明顯。開槽使空氣流動產生了較大的阻滯和擾動。

圖8 不開槽翅片的壓力云圖

圖9 開槽翅片的壓力云圖

2.3 綜合性能分析

翅片管換熱能力增強往往伴隨著壓力的損失，當想要保證入口空氣速度不變時往往需要給空氣更多的動力，這會消耗更多的能量，因此需要一個能夠綜合考慮換熱和壓力損失的評價標準。筆者采用了綜合性能指數(PEC)來描述翅片管換熱器的綜合性能[5]。PEC越大表明翅片管的整體換熱性能越好。

PEC=Nu/f1/3

(7)

圖10是不同入口空氣速度下開槽翅片和不開槽翅片的PEC。

圖10 兩種翅片的綜合性能指數

從圖10可以看出：在入口空氣速度為0.5～4.0 m/s時，開槽翅片的PEC比不開槽翅片的高了4.33～10.77。顯然，開槽翅片的綜合性能明顯好于不開槽翅片的，也就是換熱量增加的影響要大于壓降增加的影響。隨著入口空氣速度的增加，開槽翅片的PEC比不開槽翅片增加程度也越高，說明入口空氣速度越高，開槽翅片的綜合換熱性能越好。入口空氣速度越高，開槽對空氣的擾動效果越明顯，換熱量增加也越多，而壓力損失的增大相對沒那么明顯，因而在高空氣流速下開槽翅片有著更好的換熱性能。

3 結語

筆者通過FLUENT軟件對開槽翅片和不開槽翅片進行了三維數值模擬，研究了不同入口空氣速度下兩種翅片的換熱性能，通過分析溫度場、換熱量、壓力場、壓降等對兩種翅片的換熱性能進行了對比。結果表明：隨著入口空氣速度的增大，兩種翅片管的換熱量均會增大；相同入口空氣速度下開槽翅片管的換熱量要明顯高于不開槽翅片管的換熱量。開槽翅片管的溫度分布比不開槽翅片管的更加均勻。隨著入口空氣速度增大，兩種翅片管的壓降也會隨之增大，相同入口空氣速度下開槽翅片管有著更大的壓力損失。這是由于開槽對空氣造成了阻礙和擾動。開槽翅片管的PEC要明顯高于不開槽翅片管，說明開槽翅片管有著更好的整體換熱性能。