三維矩形外肋管流動傳熱特性數值模擬

王小雨，杜一恒

(江漢大學 化學與環境工程學院，湖北 武漢 430056)

換熱器，又稱熱交換器，在化工工程及能源工程等領域不換熱器亦可以稱為熱交換器，在化學，石油，電力，食品和許多其他工業產品中熱交換器起著十分重要的作用[1]。

管式換熱器[2]中有一種帶翅的的換熱器，亦稱為肋片式換熱器，在動力，化工，制冷等工業中肋片式換熱器具有廣泛的應用[3]。肋片式換熱器可以只有一個肋片管組成，也可以有兩個或者三個以上的肋片管組成，例如在室內進行取暖用途時所使用的肋片式散熱器，同樣的也可以配以外殼，風機等組成空冷型的熱交換器。

肋片式換熱器中主要強化換熱的部位是換熱管，換熱管為肋片搭配基礎管，基管的類型主要有三種，圓管、扁平管和橢圓管[4]。其中圓管是市場上常見的基管。肋片管通過管道內的冷熱流體與管外的換熱介質進行換熱，兩者之間通過肋片及管壁進行一個熱量的交換，由于肋片的存在，相比較于傳統的換熱管增加了換熱面積，也在一定程度上增加了熱阻，不過在總體上改善了換熱。肋片類型繁多，其中矩形肋片管換熱效率較高，流動阻力也更小。基于此，本文利用流體分析軟件Fluent研究了三維矩形外肋管的流動傳熱特性。主要探討了矩形外肋管的肋片結構對換熱性能影響較大，通過改變矩形外肋管的肋片數量和高度來研究換熱系數和壓降的變化。

1 矩形外肋管的模型建立

矩形外肋管建模參數如表1所示，在Gambit中的三維建模圖形見圖1。在此次Fluent數值模擬中，矩形外肋管的肋片和管材料為鋁，鋁的物理密度較小，比熱容相對優異。

表1 建模參數

圖1 矩形外肋管三維模型

1-空氣流體域，2-矩形外肋管

三維矩形外肋管的計算流體域如圖2所示，通過在矩形外肋管外增加一個圓筒來確定空氣的流體域，矩形外肋管和圓筒的中心線重合，長度為1 m，圓筒直徑設定為250 mm，內管外徑為50 mm，內管壁厚和矩形肋片壁厚均為3 mm。設定矩形外肋管外側為常溫空氣，本文主要探討管外肋片的換熱特性，因此換熱管可設為固定壁面溫度。因為鋁的物理密度較小，導熱條件相對優異，因此矩形外肋管的肋片和圓形基管材料定為鋁。

矩形肋片外肋管的結構對換熱性能的影響較大，因此本文將著重探討肋片的高度和數量對換熱性能的影響，肋片數量依次為4、8、12和16，肋片高度依次為10、20、30和40 mm，通過肋片數量和高度兩兩組合，產生16組工況。

為了便于模型的建立和計算，做出以下簡化：流體為不可壓縮的牛頓流體且各向同性，模擬的換熱過程為穩態對流換熱，沒相變流體，矩形外肋管外的空氣流速與矩形肋片平行，圓筒壁為絕熱壁面，與外界不交換熱量。

2 計算結果與分析

因工況較多，各工況的溫度云圖和速度云圖不再一一給出，研究肋片高度時僅給出最低高度10 mm和最高高度40 mm兩種情況的云圖，研究肋片數量時僅給出肋片數量為4和16兩種情況的云圖。在模擬過程發現空氣流過區域的壓降損失較小，可忽略，因此文中不再探討壓降影響。

2.1 矩形外肋片的高度對換熱性能的影響

其它條件不變，單獨改變矩形外肋片的高度觀察換熱性能的變化。肋片高度為10 mm和40 mm下的速度分布圖和溫度分布圖如圖3和圖4所示。

圖3 矩形肋片高度為10，40 mm時速度分云圖

圖4 矩形肋片高度為10，40 mm時的溫度云圖

在圖中可以看出，隨著肋片數量的增加，速度穩定區域得到增加，相應的速度最大值在矩形肋片增大的時候一樣增大；在肋片高度增加的時候，空氣流體區域的較高速度的區域減少，換熱區域增大，矩形外肋管對空氣流體區域的影響增大，從而使得換熱增強。肋片上的溫度由于溫差不大，從而顯示不明顯；但仍可看出隨著肋片高度的增大，換熱區域增大(圖中紅色區域)，出口溫度由333.3K升到382.7K，換熱效果增強。在計算力允許的情況下，加長換熱管的長度，將會看到更明顯的變化趨勢。

2.2 矩形外肋片的數量對換熱性能的影響

矩形外肋片在管外以肋片間距均勻劃分。肋片數量為4和16時的矩形外肋管的速度云圖和溫度云圖如圖5和圖6所示。

圖5 矩形肋片數量為4，16時的速度云圖

圖6 矩形肋片數量為4，16時的溫度云圖

由圖可以觀察出，隨著肋片的數量增加，肋片之間的間距減小，穩定流動的區域增加，速度場的較高速度區域減少，換熱空間增加使得換熱增加。隨著矩形肋片的數量增多，換熱效果增強，這是因為在矩形肋片的增加下，換熱面積得到增加，增加空氣流動穩定，再加上空氣的流動方向與肋片的方向相互平行，使得空氣壓降非常小，使得換熱效果在由4肋片到16肋片增加的過程中處于一直增加的狀態。

2.3 矩形外肋管的肋片數量和高度對換熱系數的綜合影響

不同肋高下的矩形外肋管的外側空氣流體域的換熱系數變化見圖7。從圖中，我們可以看到，在外側空氣流體域速度不變的情況下，隨著肋片的高度不斷的增加，矩形肋片的數量不同，對換熱系數產生了比較大的影響。在肋片高度為20，30，40 mm的三組里面，三組的換熱效率增加曲線是類似的，換熱系數的變化幅度不大，可以預測僅僅增加肋片的數量是沒有意義的一件事。在肋片數量為4的時候，肋片高為10 mm換熱系數最低，肋片高為20 mm的時候換熱系數為四種肋片高度里面最高的一組；在肋片數量為8的時候，肋片高為10 mm不再是最低，最低的是肋片高度為40 mm，換熱系數最高的一組依然為20 mm。接著，在肋片數量為12的時候，肋片高度為10 mm的換熱系數開始與肋片高度為20 mm的換熱系數相互接近，此時肋片高度為20 mm的換熱系數依然最高。最后當肋片的數量為16的時候，換熱系數最高的一組為肋片高度為10 mm的一組，在肋片數量為16的一組，發現再隨著肋片高度的增加，換熱系數出現了下降的趨勢。之所出現這樣的，原因在于肋片數量的增加和高度的增加，使得肋片換熱熱阻已經增加過多，這不僅僅是造成效率下降，在實際的過程之中，也是對資源的浪費和能源的浪費。從圖7中還可以看出，肋片高度為20 mm時，總的換熱效果優于其它高度；肋片高度為10 mm時，隨著肋片數量的增加，換熱系數的變化最大，當肋片數量達到16時，換熱系數最大，但這樣加工成本增加較大。因此，經對比研究，較優的一組工況是肋片高度為10 mm，肋片數量為16。

圖7 矩形肋片參數發生變化時的換熱效率

3 結論

本文使用的是Fluent軟件，利用Gambit進行建模和網格劃分，通過改變矩形翅片的高度和數量，對矩形外肋管進行數值模擬分析，得出以下結論：

(1)肋片的數量保持不變時，只改變肋片的高度下，可能會導致換熱效率下降，在實際的操作過程中，肋片高度與肋片的數量需要進一步的研究。

(2)肋片高度保持不變的情況下，肋片數量的增加可以使得矩形外肋管的換熱效率得到提高，但是在一定數量之后就會使得效率提高不盡人意，在實際的使用過程還會造成資源的浪費。

(3)肋片的高度和數量存在一個較優的配比，本文中肋片高度為10 mm，肋片數量為16時，換熱效率最大。后續工作在計算力允許的情況下可以增加矩形外肋管的長度，改變空氣的流速和翅片的厚度，進一步的研究矩形肋片傳熱特性。